La superficie del Sole trema e vibra come una campana gigante, un organo con milioni di canne o una sala da concerto piena del ronzio di molte orchestre che si accordano contemporaneamente. Gli scienziati che studiano il Sole hanno usato questi e altri paragoni per descrivere le vibrazioni costanti della stella, causate principalmente dalle onde sonore che si increspano sotto la superficie. Create dai movimenti di gigantesche bolle di gas caldo, le onde possono percorrere l’intero Sole, spostandosi dalla superficie all’interno e di nuovo verso la superficie in un ciclo che può ripetersi per ore o mesi.
Per i fisici solari, le onde sono potenti strumenti per studiare il Sole, altre stelle e persino altri campi della fisica. Hanno sondato la struttura interna e i movimenti del Sole, fornito informazioni sulla dinamo solare e sollevato domande sulla composizione chimica del Sole. Offrono uno scorcio del lato opposto del Sole, migliorando le previsioni meteorologiche spaziali. E hanno aiutato a risolvere un problema di fisica delle particelle che ha portato a un Premio Nobel.
Lo studio di queste onde è noto come eliosismologia e utilizza strumenti a terra e nello spazio per tenere costantemente d’occhio il Sole. Questo sforzo ha fornito 3 decenni di osservazioni ininterrotte che hanno notevolmente migliorato la nostra conoscenza del Sole. “L’eliosismologia è l’unico modo per vedere all’interno del Sole“, ha affermato Sushanta Tripathy, scienziato associato presso il National Solar Observatory (NSO) a Boulder, in Colorado.
“Tutte le nostre osservazioni del Sole si basano su ciò che possiamo vedere in superficie“, ha affermato Lisa Upton, ricercatrice presso il Southwest Research Institute, a Boulder. “Non possiamo immergerci per vedere dentro. Ma l’eliosismologia è una tecnica rivoluzionaria. Sono incredibili le cose che può fare”.
Onde sonore “dappertutto”
L’eliosismologia iniziò negli anni ’60 quando Robert Leighton e i suoi colleghi scoprirono le oscillazioni sulla superficie del Sole. “Stava guardando alla granulazione solare e la turbolenza era un argomento importante in quel momento”, ha detto John Leibacher, astronomo emerito dell’NSO ed ex direttore. “Stava scattando immagini a una lunghezza d’onda specifica e si aspettava che, man mano che le immagini si allontanavano nel tempo, sarebbero sembrate sempre meno coerenti. Quello che scoprì, con sua grande sorpresa, fu che dopo circa 5 minuti erano di nuovo in fase… Scoprì una periodicità sulla superficie del Sole che era del tutto inaspettata”.
Pochi anni dopo, Leibacher, che studiò il fenomeno per la sua tesi di laurea, e altri in modo indipendente escogitarono una spiegazione: onde sonore intrappolate in una cavità appena sotto la superficie, generate dai moti di bolle di gas caldo nella parte superiore della zona convettiva del Sole.
Il Sole è costituito da tre strati principali. Il nucleo, che rappresenta circa il 25% del raggio del Sole, è dove i nuclei di idrogeno si fondono per formare elio, convertendo parte della loro massa in energia. Il nucleo è avvolto da una zona radiativa che costituisce più della metà del raggio del Sole, dove l’energia scorre lentamente verso l’esterno. Il 25% esterno del raggio solare è costituito dalla zona convettiva, dove cellule di plasma grandi quanto il Texas si sollevano come bolle in una pentola di acqua bollente. Quando le cellule si avvicinano alla superficie, si raffreddano e affondano. Quel continuo agitarsi crea onde di pressione (chiamate anche onde sonore o acustiche) entro poche centinaia di chilometri dalla superficie.
“Mentre il plasma sale e scende, crea turbolenza“, ha affermato Jason Jackiewicz, Professore di astronomia alla New Mexico State University di Las Cruces. “Questa è una fonte di rumore acustico. Crea onde sonore ovunque, in ogni momento. Alcune di loro interferiscono in modo costruttivo, costruendo una risonanza. Vengono create in superficie, quindi scendono e tornano su, giù e tornano su, giù e tornano su. Ogni oscillazione ha determinate proprietà, proprio come le onde in uno strumento musicale”.
Le onde hanno un periodo di circa 5 minuti. Gli astronomi hanno scoperto circa 10 milioni di modalità individuali per le onde, con circa un milione di esse che scuotono e agitano la superficie in un dato momento.
Come le onde sismiche che viaggiano attraverso la Terra a seguito di terremoti, le onde del Sole hanno importanti capacità diagnostiche. Mentre viaggiano attraverso il Sole, vengono rifratte verso la superficie dai cambiamenti di temperatura, densità e composizione. Le singole onde vengono reindirizzate in modo diverso a seconda delle circostanze della loro creazione e del loro percorso attraverso il Sole. Un’analisi attenta fornisce quindi uno sguardo dettagliato sulle condizioni in profondità nel Sole. Alcune modalità sono ottimizzate per fornire dettagli sulle macchie solari e altri fenomeni di superficie.
Gli astronomi “vedono” le onde misurando l’effetto Doppler su tutta la superficie del Sole. Ogni onda fa oscillare leggermente la superficie su e giù. Il cambiamento non è drammatico, solo da pochi metri a poche decine di metri al secondo.
Il rilevamento e la comprensione delle onde richiedono un monitoraggio a lungo termine del Sole. Ciò non può essere realizzato da una singola stazione terrestre, quindi gli astronomi hanno costruito reti di telescopi per l’osservazione del Sole in tutto il pianeta. Hanno anche posizionato strumenti nello spazio, dove possono guardare il Sole costantemente, senza essere ostacolati dalle nuvole o dagli effetti dell’atmosfera terrestre.
Una delle prime reti di eliosismologia era GONG (Global Oscillation Network Group), fondata dall’NSO nel 1995. Ancora in funzione oggi, è composta da sei piccole stazioni identiche in tutto il mondo, in California, Hawaii, Isole Canarie, Australia, Cile e India. Ogni stazione, ospitata in un container industriale, include un interferometro per misurare le oscillazioni della superficie del Sole e uno strumento per misurare il suo campo magnetico, consentendo agli scienziati di correlare le onde di superficie con l’attività magnetica.
Il primo strumento di eliosismologia spaziale ha preso il volo poco dopo l’entrata in servizio di GONG, a bordo del SOHO (Solar and Heliospheric Observatory). Sebbene SOHO continui a funzionare, lo strumento è stato ritirato nel 2011 quando è stato sostituito dall’Heliosismic and Magnetic Imager (HMI) a bordo del Solar Dynamics Observatory (SDO). L’HMI offre una risoluzione più elevata e una velocità di trasmissione dati superiore rispetto al suo predecessore.
Piccole particelle, grande scienza
Le prime scoperte con l’eliosismologia si applicavano tanto alle questioni generali della fisica quanto al Sole stesso, a cominciare dal “problema dei neutrini solari”. I neutrini vengono creati in abbondanza durante le reazioni di fusione nucleare nei nuclei del Sole e di altre stelle. Poiché i neutrini sono quasi privi di massa, sfrecciano attraverso il Sole e la Terra senza interferire con altre particelle. Questo li rende delle buone “sonde” di ciò che sta accadendo nel nucleo del Sole, ma li rende anche difficili da catturare.
I primi rivelatori contavano solo un terzo dei neutrini previsti dai modelli dell’interno solare. L’eliosismologia ha confermato che il profilo della temperatura interna del Sole era come previsto, lasciando i fisici nucleari a riflettere su altre soluzioni. Alla fine si resero conto che i neutrini prodotti dal Sole si stavano trasformando in uno degli altri due “sapori” mentre correvano attraverso il sistema solare. I fisici che hanno scoperto la soluzione hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica 2015.
Tachocline e nucleo
Oltre a confermare le temperature interne del Sole, le prime osservazioni hanno anche confermato la sua struttura interna, con un confine netto e ben definito alla base della zona convettiva che può essere individuato entro meno dell’1% del raggio del Sole.
“Ci sono ottimi risultati sull’esistenza del tachocline, uno strato di taglio che segna la transizione tra la zona convettiva, che ha una rotazione differenziale, e la regione radiativa, che ruota uniformemente per quanto possiamo dire“, ha affermato Yvonne Elsworth, Professoressa di eliosismologia, fisica e astronomia all’Università di Birmingham, nel Regno Unito. Elsworth è un ex direttore della prima rete di eliosismologia, BiSON (Birmingham Solar Oscillations Network), che osserva il Sole dal 1976.
I dettagli sul nucleo che genera energia, tuttavia, si sono rivelati più difficili da ottenere. “Le onde acustiche non trascorrono molto tempo lì per percepire la rotazione, e non molte vanno così in profondità, quindi sono difficili da osservare”, ha detto Jack Harvey, astronomo emerito dell’NSO e uno dei creatori di GONG. “La nostra conoscenza del nucleo è molto frammentaria”.
Un altro tipo di onda, nota come onda di gravità, potrebbe aiutare a testare questi modelli. Queste onde a frequenza più lunga sono generate da oscillazioni nel nucleo stesso. Producono poco o nessun segnale in superficie, il che le rende difficili da rilevare. Uno studio del 2017 ha riportato di aver visto l’impronta delle onde di gravità in 16,5 anni di dati da SOHO, suggerendo che il nucleo ruota all’incirca una volta alla settimana, rispetto a circa una volta ogni 4 settimane in superficie. Tuttavia non tutti i fisici solari accettano questi risultati. “Non sappiamo davvero se le onde di gravità siano state ancora osservate“, ha detto Harvey.
Macchie solari
Sebbene l’eliosismologia non abbia ancora risposto alle domande sul nucleo, ha fornito molti dettagli sulla zona convettiva, in particolare sulla sua rotazione. Gli astronomi sanno da secoli che la superficie del Sole ruota in modo differenziale. Tracciando le macchie solari mentre attraversavano il disco solare, potevano vedere che le regioni polari ruotano più velocemente rispetto all’equatore. L’eliosismologia ha confermato che la rotazione differenziale continua attraverso la zona convettiva fino allo strato di taglio.
“Identificare lo strato di taglio è importante perché l’attività solare è causata dai campi magnetici e c’era una grande domanda su dove viene generato il campo magnetico“, ha affermato Alexei Pevtsov, direttore associato dell’Integrated Synoptic Program dell’NSO. “Quel forte strato di taglio, alla base della zona convettiva, è dove opera la dinamo”. Eppure la dinamo è poco conosciuta, lasciando gli scienziati a riflettere su come aiuta a guidare il ciclo magnetico del Sole.
Il ciclo dura circa 11 anni. Al suo apice, molte macchie solari scure punteggiano la superficie del Sole. Il picco produce anche un numero maggiore di brillamenti solari ed eruzioni di nubi giganti di gas caldo, note come espulsioni di massa coronale. Al punto più basso del ciclo, la superficie è quasi priva di tale attività. Alla fine di un ciclo la polarità del Sole si inverte, con il polo nord magnetico che diventa il polo sud magnetico e viceversa, rendendo il ciclo complessivo lungo 22 anni.
Non esistono due cicli uguali. “Il ciclo è regolare, ma non perfettamente regolare“, ha affermato Sarah Gibson, scienziata senior presso l’High Altitude Observatory del National Center for Atmospheric Research di Boulder. I cicli variano sia in lunghezza che in intensità. L’ultimo completato, terminato a dicembre 2019, è stato uno dei più deboli mai registrati. Si prevedeva che il ciclo attuale fosse altrettanto scarso, ed è iniziato così, ma negli ultimi mesi ha superato le proiezioni.
Una chiave del ciclo solare è un flusso “a nastro trasportatore” rivelato dall’eliosismologia. Conosciuto come flusso meridionale, assomiglia alle celle di Hadley nell’atmosfera terrestre. Il concetto di base dice che celle giganti di plasma si muovono dall’equatore verso i poli. Lì, si immergono sotto la superficie, quindi rifluiscono verso l’equatore, dove tornano in superficie, completando il ciclo.
Il flusso è “molto importante per le teorie dell’attività solare“, ha detto Harvey. “Le nostre migliori teorie sul ciclo solare dipendono da quel tipo di flusso, quindi vorremmo sapere com’è. Ma le misurazioni sono molto sottili perché i flussi si muovono a pochi metri al secondo”. Le misurazioni sono ulteriormente complicate dal fatto che né i telescopi terrestri né quelli spaziali attuali possono vedere i poli.
“Una visione polare è il fulcro di tutto questo“, ha affermato Gibson. “Se possiamo osservare i poli, vedere i flussi, potremmo escludere alcuni meccanismi”.
Migliorare le previsioni del meteo spaziale
Comprendere meglio il ciclo magnetico del Sole è importante per un’applicazione pratica: la previsione del meteo spaziale. Quando forti esplosioni di radiazione solare e particelle cariche interagiscono con il campo magnetico terrestre, possono danneggiare i satelliti in orbita, mettere fuori uso le reti elettriche sulla superficie terrestre e causare altri problemi. La NOAA, la US Air Force e diverse organizzazioni internazionali forniscono previsioni del meteo spaziale per aiutare gli operatori a proteggere le risorse potenzialmente vulnerabili.
L’eliosismologia fornisce una visione approssimativa del lato opposto del Sole, offrendo avvisi di grandi macchie solari giorni prima che arrivino alla vista. “Questo è uno dei grandi successi dell’intero campo dell’eliosismologia”, ha affermato Tripathy.
Quando le onde viaggiano attraverso il Sole, interagiscono in modo diverso con le macchie solari rispetto alla superficie senza macchie. E poiché le onde possono percorrere l’intera stella, alcune di esse rivelano la presenza di macchie solari sul lato opposto mentre le onde si increspano verso il lato vicino. “Possiamo prevedere che una regione attiva che non abbiamo mai visto prima apparirà sul lembo orientale del Sole in questa data e in questa posizione“, ha detto Leibacher.
La composizione del Sole
Man mano che i database delle osservazioni diventano più grandi, gli scienziati stanno testando anche altre parti interessanti della fisica solare. Ad esempio, le osservazioni non sono necessariamente in accordo con i profili della composizione del Sole ottenuti attraverso altre tecniche.
Il Sole è costituito quasi interamente da idrogeno ed elio, con un’infarinatura di elementi più pesanti, circa il 2% della sua massa totale, che sono stati forgiati all’interno di altre stelle. Gli elementi più pesanti, noti come metalli, sono stati espulsi nello spazio quando le stelle sono morte e sono stati poi incorporati nel Sole mentre si formava da una nuvola di gas e polvere interstellare. Lievi variazioni nelle proporzioni di questi elementi causano differenze nelle temperature interne di una stella e in altre caratteristiche, quindi comprendere appieno cosa sta succedendo oggi all’interno di una stella e come si evolverà richiede una conoscenza precisa della sua composizione.
Sembra che ci siano meno metalli nel Sole di quanto pensassero i ricercatori, ha detto Jackiewicz. “Ciò ha importanti implicazioni per l’astrofisica stellare in generale. Confrontiamo ogni stella con il Sole: “Quella stella ha il 10% della metallicità del Sole, o quella stella ha il doppio della metallicità”. È fantastico, ma presuppone che conosciamo la metallicità del Sole. Non so se qualcuno è disposto a dire che lo sappiamo per certo”.
