Un allineamento cosmico e un po’ di ginnastica spaziale hanno fornito una misurazione innovativa che sta aiutando a risolvere il mistero cosmico, che dura da 65 anni, del perché l’atmosfera del Sole è così calda. L’atmosfera del Sole è chiamata corona. È costituito da un gas elettricamente carico noto come plasma e ha una temperatura di circa un milione di gradi Celsius. La sua temperatura è un mistero persistente perché la superficie del Sole è di “solo” 6000°C circa. La corona dovrebbe essere più fredda della superficie perché l’energia del Sole proviene dalla fornace nucleare nel suo nucleo, e le cose diventano naturalmente più fredde quanto più sono lontane da una fonte di calore. Eppure la corona è oltre 150 volte più calda della superficie.
Deve essere in atto un altro metodo per trasferire energia nel plasma, ma quale?
Da tempo si sospettava che la turbolenza nell’atmosfera solare potesse provocare un riscaldamento significativo del plasma nella corona. Ma quando si tratta di studiare questo fenomeno, i fisici solari si imbattono in un problema pratico: è impossibile raccogliere tutti i dati di cui hanno bisogno con un solo veicolo spaziale.
Esistono due modi per studiare il Sole: il telerilevamento e le misurazioni in situ. Nel telerilevamento, il veicolo spaziale viene posizionato a una certa distanza e utilizza telecamere per osservare il Sole e la sua atmosfera a diverse lunghezze d’onda. Per le misurazioni in situ, il veicolo spaziale vola attraverso la regione che vuole indagare ed effettua misurazioni delle particelle e dei campi magnetici in quella parte dello spazio. Entrambi gli approcci hanno i loro vantaggi. Il telerilevamento mostra i risultati su larga scala ma non i dettagli dei processi che avvengono nel plasma. Le misurazioni in situ, invece, forniscono informazioni altamente specifiche sui processi su piccola scala nel plasma, ma non mostrano come ciò influisca su larga scala.
Solar Orbiter e Parker Solar Probe
Per avere il quadro completo, sono necessari due veicoli spaziali. Questo è esattamente ciò che i fisici solari hanno attualmente a disposizione, con il veicolo spaziale Solar Orbiter dell’ESA e la Parker Solar Probe della NASA. Solar Orbiter è progettato per avvicinarsi il più possibile al Sole ed eseguire comunque operazioni di telerilevamento, insieme a misurazioni in situ. Parker Solar Probe rinuncia in gran parte al rilevamento remoto del Sole per avvicinarsi ancora di più per le sue misurazioni in situ. Ma per sfruttare appieno i loro approcci complementari, Parker Solar Probe dovrebbe trovarsi nel campo visivo di uno degli strumenti di Solar Orbiter. In questo modo, Solar Orbiter potrebbe registrare le conseguenze su larga scala di ciò che Parker Solar Probe sta misurando in situ.
Daniele Telloni, ricercatore presso l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) presso l’Osservatorio Astrofisico di Torino, fa parte del team dietro lo strumento Metis di Solar Orbiter. Metis è un coronografo che blocca la luce proveniente dalla superficie del Sole e scatta foto della corona. È lo strumento perfetto da utilizzare per misurazioni su larga scala e così Telloni ha iniziato a cercare le volte in cui Parker Solar Probe si sarebbe allineato. Ha scoperto che l’1 giugno 2022 i due veicoli spaziali si sarebbero trovati nella configurazione orbitale corretta – o quasi. Essenzialmente, Solar Orbiter avrebbe guardato il Sole e Parker Solar Probe sarebbe stato appena di lato, allettantemente vicino ma appena fuori dal campo visivo dello strumento Metis.
Mentre Daniele osservava il problema, si è reso conto che tutto ciò che serviva per portare in vista Parker Solar Probe era un po’ di ginnastica con Solar Orbiter: una rotazione di 45 gradi e poi puntarla leggermente lontano dal Sole. Ma poiché ogni manovra di una missione spaziale è attentamente pianificata in anticipo, e i veicoli spaziali sono progettati per puntare solo in direzioni molto specifiche, specialmente quando devono affrontare il temibile calore del Sole, non era chiaro se il team operativo del veicolo spaziale avrebbe autorizzato tale manovra. Tuttavia, una volta che tutti hanno avuto chiaro il potenziale ritorno scientifico, la decisione è stata un chiaro “sì”.
Parker Solar Probe è così entrata nel campo visivo e insieme i veicoli spaziali hanno prodotto le prime misurazioni simultanee della configurazione su larga scala della corona solare e delle proprietà microfisiche del plasma. “Questo lavoro è il risultato del contributo di moltissime persone”, afferma Telloni, che ha guidato l’analisi dei set di dati. Lavorando insieme, sono stati in grado di effettuare la prima stima combinata osservativa e in situ del tasso di riscaldamento coronale. “La possibilità di utilizzare sia Solar Orbiter che Parker Solar Probe ha davvero aperto una dimensione completamente nuova in questa ricerca”, afferma Gary Zank, dell’Università dell’Alabama a Huntsville, coautore dello studio.
“Questo è solo l’ultimo di una serie di importanti risultati ottenuti grazie ai dati acquisiti da Metis e dimostra quanto sia utile poter combinare dati simultanei di remote sensing e misure in-situ del vento solare, consentendo di studiare processi fisici come quelli legati al riscaldamento coronale su tutte le scale spaziali di interesse“, afferma Marco Stangalini, ricercatore e responsabile di programma dell’Agenzia Spaziale Italiana della missione Solar Orbiter.
La turbolenza
Confrontando la velocità appena misurata con le previsioni teoriche fatte dai fisici solari nel corso degli anni, Telloni ha dimostrato che i fisici solari avevano quasi certamente ragione nell’identificare la turbolenza come un modo di trasferire energia.
Il modo specifico in cui agisce la turbolenza non è dissimile da ciò che accade quando si mescola una tazza di caffè. Stimolando movimenti casuali di un fluido, sia esso un gas o un liquido, l’energia viene trasferita su scale sempre più piccole, culminando nella trasformazione dell’energia in calore. Nel caso della corona solare, anche il fluido è magnetizzato e quindi anche l’energia magnetica immagazzinata è disponibile per essere convertita in calore. Un tale trasferimento di energia magnetica e di movimento da scale più grandi a scale più piccole è l’essenza stessa della turbolenza. Su scala più piccola, consente alle fluttuazioni di interagire finalmente con le singole particelle, principalmente protoni, e di riscaldarle.
Sono necessari ulteriori lavori prima di poter dire che il problema del riscaldamento solare è risolto ma ora, grazie al lavoro di Daniele Telloni, i fisici solari hanno la prima misurazione di questo processo. “Questa è una novità scientifica. Questo lavoro rappresenta un significativo passo avanti nella risoluzione del problema del riscaldamento coronale”, afferma Daniel Müller, scienziato del progetto.
