Venti solari, una nuova fisica per comprendere le eruzioni coronali

Giganteschi getti di plasma che vengono espulsi dalla corona del Sole e viaggiano nel sistema solare a velocità che superano anche i 3 milioni di chilometri l’ora. Questi sono i venti solari, flussi di particelle cariche espulse dalla nostra stella, che una volta arrivati sulla Terra interagiscono con il campo magnetico terrestre regalandoci le spettacolari aurore boreali e le più preoccupanti tempeste geomagnetiche, in grado di provocare danni ai satelliti in orbita, disagi alle telecomunicazioni e anche blackout.

A oggi restano un mistero per gli scienziati i meccanismi e i processi che portano alle eruzioni di massa coronale (CME) che producono i venti solari. Le nostre conoscenze del Sole, infatti, si basano sulle osservazioni astronomiche e sulle misurazioni indirette di alcuni rari tipi di meteorite. A offrire la possibilità di studiare da “vicino” i venti solari sono i campioni raccolti dalla sonda Genesis della NASA e riportati a terra. Le analisi condotte dai ricercatori della University of Hawaii guidati da Gary Huss suggeriscono che sia necessaria una nuova fisica per svelare cosa accade nella corona solare e come i venti vengono generati.

Come e dove nascono i venti solari?

Il nostro Sole costituisce il 99,8% della massa dell’intero sistema solare. La parte più esterna della sua atmosfera prende il nome di corona solare ed è una regione, non ben delimitata, costituita da gas ionizzati distribuiti in modo irregolare. Sebbene la corona sia la parte più distante dal nucleo, cioè dalla regione dove avvengono le reazioni nucleari che forniscono energia alla stella, essa raggiunte temperature dell’ordine del milione di Kelvin. Temperature che sono 200 volte più calde di quelle registrate nella fotosfera, lo strato dell’atmosfera solare che si trova immediatamente sotto alla corona.

Gli scienziati a oggi non sanno spiegare questa differenza di temperature, ma ritengono che questo effetto sia dovuto al calore liberato dal campo magnetico solare, con meccanismi che rimangono oscuri. Questo strato più esterno è soggetto inoltre a eruzioni di massa coronale, dette CME, che generano venti di plasma formati da atomi di idrogeno ionizzati, ma anche di nuclei di gas nobili come elio e neon.

Quando i venti solari vengono emessi in direzione della Terra e ci raggiungono, possono provocare le spettacolari aurore boreali nell’interazione col campo magnetico terrestre. In alcuni casi, invece, possono dare vita a tempeste solari che mettono a rischio i sistemi satellitari di comunicazione e le reti elettriche, come avvenne nel 1989 in Canada e nel 2003 in Svezia, quando provocarono interruzioni della distribuzione dell’energia elettrica.

Genesis, la missione a caccia del vento solare

Nell’agosto del 2001 la sonda Genesis è stata lanciata dalla NASA con l’obiettivo di raccogliere campioni di vento solare da riportare poi sulla Terra, così da fornire dati diretti su questo fenomeno. La sonda fece ritorno nel 2004, ma al momento dell’atterraggio ci furono dei problemi per la mancata apertura di un paracadute e parte dei campioni raccolti andarono distrutti.

Proprio dai campioni di Genesis rimasti integri parte lo studio di Huss e dei colleghi della School of Ocean and Earth Science and Technology (SOEST) della Universiy of Hawaii di Manoa, che hanno pubblicato i risultati ottenuti sulla rivista Meteoritics & Planetary Science. I ricercatori hanno così misurato l’abbondanza di idrogeno emesso dalle eruzioni solari e di altri atomi, tra cui i gas nobili, che compongono il vento solare, come ha spiegato Huss a Oggiscienza:

“Abbiamo misurato l’idrogeno e altri elementi nel vento solare utilizzando una microsonda a ioni. Questo strumento crea un fascio focalizzato di particelle cariche, nel nostro caso di Cesio, che è stato utilizzato per bombardare la superficie di un pezzo di collettore riportato dalla missione Genesis”.

Huss ha spiegato inoltre che misurare l’idrogeno del Sole, anche se ne costituisce circa il 91%, implica delle difficoltà: “Anche se misurare l’idrogeno potrebbe sembrare semplice, non lo è affatto. Il Sole è costituito quasi interamente di idrogeno, con solo piccole quantità di altri elementi. Fino a oggi gli scienziati hanno misurato questi elementi presenti in minore quantità dai dati di una grande varietà di sonde spaziali, che però non riuscivano a misurare l’idrogeno proprio per la sua abbondanza che inonda i rivelatori”.

La missione Genesis rappresenta quindi qualcosa di unico nel suo genere, sottolinea Huss: “Raccogliendo il vento solare e portandolo a terra, la missione Genesis ci ha dato l’opportunità di tarare i nostri strumenti per l’idrogeno e, separatamente ma nello stesso campione, misurare anche gli elementi minori. In questo modo per la prima volta abbiamo ottenuto sia una buona misurazione dell’idrogeno, che del resto degli elementi”.

Non sono mancate, spiega Huss, delle difficoltà: “Due sono le difficoltà principali nell’eseguire questa misura. La prima, come ho già detto, riguarda l’abbondanza dell’idrogeno. La seconda invece riguarda il comportamento fisico e chimico dei materiali che compongono il collettore su cui era impresso il vento solare e delle sonde a ioni da noi utilizzate per le misurazioni. Abbiamo così dovuto trovare un modo di effettuare misurazioni che fossero affidabili”.

Una nuova fisica per il Sole

Una volta ottenute le misurazioni, i ricercatori si aspettavano di osservare che elementi come elio, neon e argon, che appartengono ai gas nobili e sono difficili da ionizzare, fossero presenti in minore quantità nei venti solari. Qualcosa però non tornava nei dati, spiega Huss: “Una volta ottenute le informazioni sull’abbondanza relativa dell’idrogeno e del resto degli elementi nel Sole, abbiamo iniziato a comprendere i processi di emissione del materiale dalla superficie solare, o corona, sotto forma di vento solare e brillamenti”.

Il ricercatore ha poi aggiunto: “Abbiamo tracciato dai dati le relative abbondanze di gas nobili e dell’idrogeno come una funzione del primo potenziale di ionizzazione, cioè una misura di quanto sia facile ottenere uno ione dalla rimozione di un elettrone da un atomo. Ci aspettavamo che elementi difficili da ionizzare, come appunto l’elio, fossero esauriti nel vento solare rispetto all’idrogeno e ad altri gas nobili, ma così non è stato. Ora è tempo per i fisici solari di capire cosa questi dati ci stiano suggerendo su come venti solari e brillamenti vengono generati dalle eruzioni coronali”.

Al momento i dati di Genesis rappresentano gli unici campioni di vento solare diretti da analizzare, ma nuove missioni hanno offerto nuovi dati e si preparano a svelare i misteri del nostro Sole. Il prossimo passo, spiega Huss, sarà confrontare i nuovi dati coi risultati ottenuti dal team: “La missione Parker Solar Probe, che è stata lanciata nel 2018 dalla NASA, ha fornito un altro modo di guardare al Sole. La sonda indaga i meccanismi di riscaldamento della corona solare, ma anche le strutture e le dinamiche dei campi magnetici che accelerano il vento solare. Combinando i risultati ottenuti dalla sonda con i nostri, potremmo avere una migliore comprensione sia dei venti solari che delle eruzioni di massa coronali”.

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Immagine: NASA Solar Dynamics Observatory/ AIA