Con i dati del suo passaggio più vicino al Sole, la navicella spaziale Solar Orbiter di ESA/NASA ha trovato indizi interessanti sull’origine degli switchback magnetici e indica come il loro meccanismo di formazione fisica potrebbe aiutare ad accelerare il vento solare. Solar Orbiter ha compiuto la prima osservazione di telerilevamento in assoluto coerente con un fenomeno magnetico chiamato switchback solare, ossia improvvise e grandi deviazioni del campo magnetico del vento solare.
La nuova osservazione fornisce una visione completa della struttura, in questo caso confermando che ha una caratteristica a forma di S, come previsto. Inoltre, la prospettiva globale fornita dai dati di Solar Orbiter indica che questi campi magnetici in rapida evoluzione possono avere origine vicino alla superficie del Sole.
Sebbene un certo numero di veicoli spaziali abbia già attraversato queste enigmatiche regioni, i dati in situ consentono solo una misurazione in un singolo punto e momento. Di conseguenza, la struttura e la forma dello switchback devono essere dedotte dalle proprietà del plasma e del campo magnetico misurate in un punto.
Quando le navicelle spaziali tedesco-americane Helios 1 e 2 volarono vicino al Sole a metà degli anni ’70, entrambe le sonde registrarono improvvise inversioni del campo magnetico solare. Queste misteriose inversioni erano sempre brusche e sempre temporanee, durando da pochi secondi a un certo numero di ore prima che il campo magnetico tornasse nella sua direzione originale. Queste strutture magnetiche sono state anche sondate a distanze molto maggiori dal Sole dalla navicella Ulisse alla fine degli anni ’90. Invece di un terzo del raggio orbitale della Terra dal Sole, dove le missioni Helios hanno fatto il loro passaggio più vicino, Ulisse operava principalmente oltre l’orbita terrestre.
Il loro numero è aumentato drasticamente con l’arrivo della Parker Solar Probe della NASA nel 2018. Ciò indicava chiaramente che le improvvise inversioni del campo magnetico sono più numerose vicino al Sole e ha portato a suggerire che fossero causate da pieghe a forma di S nel campo magnetico. Questo comportamento enigmatico valse al fenomeno il nome di switchback. Sono state proposte numerose idee su come potrebbero formarsi.
Il 25 marzo 2022, Solar Orbiter era a solo un giorno da un passaggio ravvicinato al Sole, che la portava nell’orbita del pianeta Mercurio, e il suo strumento Metis stava raccogliendo dati. Metis blocca il bagliore luminoso della superficie del Sole e scatta foto dell’atmosfera esterna del Sole, nota come corona. Le particelle nella corona sono caricate elettricamente e seguono le linee del campo magnetico del Sole nello spazio. Le stesse particelle caricate elettricamente sono chiamate plasma.
Intorno alle 20:39 UT, Metis ha registrato un’immagine della corona solare che mostrava una piega a forma di S nel plasma coronale. A Daniele Telloni, dell’Istituto Nazionale di Astrofisica – Osservatorio Astrofisico di Torino, in Italia, sembrava sospettosamente uno switchback solare.
Confrontando l’immagine di Metis, che era stata scattata in luce visibile, con un’immagine simultanea scattata dallo strumento Extreme Ultraviolet Imager (EUI) di Solar Orbiter, ha visto che il candidato switchback stava avvenendo sopra una regione attiva catalogata come AR 12972. Le regioni attive sono associate alle macchie solari e all’attività magnetica. Un’ulteriore analisi dei dati Metis ha mostrato che la velocità del plasma al di sopra di questa regione era molto lenta, come ci si aspetterebbe da una regione attiva che deve ancora rilasciare la sua energia immagazzinata.
Telloni ha subito pensato che assomigliasse a un meccanismo di generazione per gli switchback proposto dal Prof. Gary Zank, dell’Università dell’Alabama a Huntsville, USA. La teoria ha esaminato il modo in cui diverse regioni magnetiche vicino alla superficie del Sole interagiscono tra loro.
Vicino al Sole, e soprattutto al di sopra delle regioni attive, ci sono linee di campo magnetico aperte e chiuse. Le linee chiuse sono anelli di magnetismo che si inarcano nell’atmosfera solare prima di curvarsi e scomparire di nuovo nel Sole. Molto poco plasma può fuoriuscire nello spazio al di sopra di queste linee di campo e quindi la velocità del vento solare qui tende ad essere lenta. Le linee di campo aperte sono il contrario, emanano dal Sole e si collegano con il campo magnetico interplanetario del Sistema Solare. Sono autostrade magnetiche lungo le quali il plasma può fluire liberamente e dare origine al veloce vento solare.
Telloni e Zank hanno dimostrato che gli switchback si verificano quando c’è un’interazione tra una regione di linee di campo aperte e una regione di linee di campo chiuse. Man mano che le linee di campo si ammassano, possono riconnettersi in configurazioni più stabili. Un po’ come schioccare una frusta, questo rilascia energia e imposta un disturbo a forma di S che viaggia nello spazio, che un veicolo spaziale di passaggio registrerebbe come uno switchback.
Secondo Gary Zank, che ha proposto una delle teorie sull’origine degli switchback, “la prima immagine di Metis che Daniele ha mostrato mi ha suggerito quasi subito i disegni che avevamo disegnato sviluppando il modello matematico per uno switchback. Naturalmente, la prima immagine era solo un’istantanea e abbiamo dovuto moderare il nostro entusiasmo fino a quando non abbiamo utilizzato l’eccellente copertura di Metis per estrarre informazioni temporali ed eseguire un’analisi spettrale più dettagliata delle immagini stesse. I risultati si sono rivelati assolutamente spettacolari!”.
Insieme a un team di altri ricercatori, hanno costruito un modello computerizzato del comportamento e hanno scoperto che i loro risultati avevano una sorprendente somiglianza con l’immagine di Metis, soprattutto dopo aver incluso i calcoli su come la struttura si sarebbe allungata durante la sua propagazione verso l’esterno attraverso la corona solare. “Direi che questa prima immagine di uno switchback magnetico nella corona solare ha rivelato il mistero della loro origine“, afferma Telloni, i cui risultati sono pubblicati in un articolo su The Astrophysical Journal Letters.
Nella comprensione degli switchback, i fisici solari potrebbero anche fare un passo avanti verso la comprensione dei dettagli di come il vento solare viene accelerato e riscaldato lontano dal Sole. Questo perché quando i veicoli spaziali volano attraverso gli switchback, spesso registrano un’accelerazione localizzata del vento solare.
“Il prossimo passo è cercare di collegare statisticamente gli switchback osservati in situ con le loro regioni di origine sul Sole“, afferma Telloni. In altre parole, far volare un veicolo spaziale attraverso l’inversione magnetica ed essere in grado di vedere cosa è successo sulla superficie solare. Questo è esattamente il tipo di scienza del collegamento per cui è stata progettata Solar Orbiter, ma non significa necessariamente che Solar Orbiter debba attraversare lo switchback. Potrebbe essere un’altra navicella spaziale, come la Parker Solar Probe. Finché i dati in situ e i dati di telerilevamento sono simultanei, Telloni può eseguire la correlazione.
“Questo è esattamente il tipo di risultato che speravamo con Solar Orbiter“, afferma Daniel Müller, Project Scientist dell’ESA per Solar Orbiter. “Con ogni orbita, otteniamo più dati dalla nostra suite di dieci strumenti. Sulla base di risultati come questo, perfezioneremo le osservazioni pianificate per il prossimo incontro solare di Solar Orbiter per comprendere il modo in cui il Sole si connette al più ampio ambiente magnetico del Sistema Solare. Questo è stato il primo passaggio ravvicinato di Solar Orbiter al Sole, quindi ci aspettiamo che arrivino molti altri risultati entusiasmanti”.
Il prossimo passaggio ravvicinato del Sole da parte di Solar Orbiter, sempre all’interno dell’orbita di Mercurio a una distanza di 0,29 volte la distanza Terra-Sole, avrà luogo il 13 ottobre. All’inizio di questo mese, il 4 settembre, Solar Orbiter ha effettuato un sorvolo di assistenza gravitazionale su Venere per regolare la sua orbita attorno al Sole; i successivi sorvoli di Venere inizieranno ad aumentare l’inclinazione dell’orbita del veicolo spaziale per accedere alle regioni del Sole a latitudine più elevata – più polari.
