La sonda Parker Solar Probe getta una nuova luce sul Sole

Nell’arco della sua esistenza il Sole ha osservato silente il processo di formazione del sistema Terra-Luna e durante gli ultimi millenni ha potuto letteralmente dare energia all’evoluzione della razza umana sulla superficie terrestre. L’umanità, dal canto suo, è sempre stata affascinata da questo astro incandescente che illumina e riscalda il trascorrere dei giorni, degli anni e delle vite intere di tutti gli esseri viventi che hanno abitato, abitano e abiteranno il pianeta Terra ancora per centinaia di millenni.

Se per tutto questo tempo il Sole è sembrato da un lato un lontano e impassibile osservatore delle vicissitudini terrestri, dall’altro l’uomo ha iniziato a osservarlo e a studiarlo con strumenti scientifici sempre più precisi e sofisticati – ma pur sempre da lontano. Tuttavia negli ultimi mesi, per la prima volta nella storia, un manufatto umano ha intrapreso una missione di studio intensivo del Sole a una distanza mai raggiunta prima.

Lanciata dalla NASA nell’agosto del 2018, la Parker Solar Probe è subito diventata il veicolo spaziale a volare più vicino al Sole. Dotata di una suite di strumenti scientifici all’avanguardia per la rilevazione dell’ambiente che la circonda, la Parker Solar Probe ha completato tre dei 24 passaggi pianificati all’interno della corona solare, mai esplorata prima. Il 4 dicembre 2019 sono stati pubblicati quattro lavori sulla rivista Nature, i quali descrivono le scoperte effettuate finora e soprattutto cosa ci si attende di imparare nel futuro prossimo sulla nostra stella.

Queste scoperte rivelano nuove informazioni e avvicinano sempre di più gli scienziati alle risposte fondamentali relative alla fisica della nostra stella. Con lo scopo di proteggere gli astronauti e la tecnologia nel severo ambiente spaziale, le informazioni raccolte dalla Parker hanno contribuito a scoprire in che modo il Sole espelle materiale ed energia; ciò sarà utile per rivedere i modelli impiegati per comprendere e prevedere la meteorologia spaziale relativa al nostro pianeta e per capire il processo con cui le stelle si formano e si evolvono.

«I primi dati provenienti dalla sonda ci mostrano la nostra stella, il Sole, in modalità davvero sorprendenti», ha dichiarato Thomas Zurbuchen, amministratore scientifico associato presso il quartier generale della NASA di Washington. «Osservare il Sole da così vicino ci offre la possibilità di studiare come mai fatto prima i fenomeni solari e i processi che influenzano la nostra vita sulla Terra, oltre a permetterci di comprendere meglio il funzionamento delle stelle di altre galassie. Siamo all’inizio di un periodo entusiasmante per l’eliofisica, con la sonda Parker nel ruolo di avanguardia verso nuove scoperte.»

Benché quando lo osserviamo dalla Terra il Sole ci sembri tranquillo e immobile, esso è tutt’altro che quieto. La nostra stella è magneticamente attiva, scatena potenti esplosioni di luce, diluvi di particelle che si muovono a velocità prossime a quelle della luce ed emettendo nuvole di miliardi di tonnellate di materiale magnetizzato. Tutti questi fenomeni influenzano il nostro pianeta, scagliando particelle nocive nello spazio dove volano satelliti e astronauti, disturbando i segnali delle comunicazioni e della navigazione e, soprattutto, quando il fenomeno è davvero intenso, innescando interruzioni su larga scala nella fornitura di energia elettrica. La fenomenologia legata all’attività solare è presente fin dalla nascita della nostra stella, circa 5 miliardi di anni fa, e continuerà a modellare i destini della Terra e degli altri pianeti del nostro sistema solare. «Il Sole ha affascinato l’umanità durante tutta la nostra esistenza» ha osservato Nour E. Raouafi, project scientist della Parker Solar Probe presso il Johns Hopkins Applied Physics Laboratory di Laurel, Maryland, che ha realizzato e che gestisce la missione per conto della NASA. «Abbiamo imparato molto riguardo la nostra stella nei decenni passati, ma avevamo davvero bisogno di una missione come la Parker Solar Probe, in grado di penetrare nell’atmosfera solare. Infatti è solamente lì che possiamo comprendere i dettagli dei processi solari. Quello che abbiamo imparato in queste sole tre orbite ha cambiato di molto la nostra conoscenza del Sole». Quello che succede sul Sole è di importanza fondamentale per capire come ciò influenza lo spazio attorno a noi. La maggior parte del materiale che fuoriesce dal Sole entra a far parte del vento solare, un flusso continuo di materiale che permea l’intero sistema solare. Questo gas ionizzato, chiamato plasma, porta con sé il campo magnetico solare, allungandolo per tutto il sistema solare fino a formare una bolla gigante che si espande per circa 16 miliardi di chilometri.

Il vento solare dinamico

Osservato nei pressi della Terra, il vento solare è un flusso di plasma relativamente uniforme, con degli occasionali episodi turbolenti, ma al momento in cui esso raggiunge la Terra ha già viaggiato mediamente per 150 milioni di chilometri e la maggior parte delle caratteristiche relative alla sua genesi e alla sua propagazione non sono più osservabili. Nei pressi della fonte del vento solare, la Parker Solar Probe ha potuto osservare un quadro molto differente da quello che siamo abituati a conoscere: un sistema complesso e attivo. «La complessità dei primi dati osservati è stata sconvolgente» ha dichiarato Stuart Bale, responsabile della suite di strumenti FIELDS per l’Università della California di Berkeley, che studia la scala e la forma dei campi elettrici e magnetici. «Ora ci sono abituato, ma quando li ho mostrati per la prima volta ai miei colleghi sono rimasti sbalorditi». Dal punto di osservazione della sonda Parker, a 24 milioni di chilometri dal Sole, il vento solare è apparso più impetuoso e instabile di quello che raggiunge i pressi della Terra. Come il Sole stesso il vento solare è costituito da plasma, dove gli elettroni, carichi negativamente, sono stati separati dagli ioni positivi creando un mare di particelle che fluttuano libere con la propria carica elettrica individuale. Questo plasma composto da particelle in movimento produce dei campi magnetici e i suoi cambiamenti corrispondono a cambiamenti nei campi magnetici. Il gruppo di strumenti della suite FIELDS sorvegliano lo stato del vento solare misurando e analizzando attentamente come i campi elettrici e magnetici esistenti attorno alla sonda cambiano nel tempo, oltre a misurare le ondate di plasma. Questi rilievi hanno mostrato delle subitanee inversioni nel campo magnetico ed improvvisi getti di materiale ad alta velocità; tutte caratteristiche che rendono il vento solare più turbolento. Questi dettagli sono la chiave per capire come il vento solare disperde energia mentre si muove allontanandosi dal Sole.

Un particolare tipo di evento ha attirato l’attenzione dei team scientifici: i ribaltamenti nella direzione del campo magnetico all’interno del vento solare. Queste inversioni, denominate switchback, hanno una durata compresa fra pochi secondi a diversi minuti mentre sfiorano la Parker Solar Probe. Nel corso di questi switchback il campo magnetico torna indietro arrivando quasi a puntare verso il Sole. Lavorando congiuntamente alla FIELDS, anche la suite scientifica SWEAP, guidata dell’Università del Michigan e gestita dallo Smithsonian Astrophysical Observatory, ha potuto misurare gruppi di switchback durante i primi due flyby della sonda. «Le onde sono state osservate nel vento solare fin dagli inizi dell’era spaziale, e abbiamo supposto che più vicino al Sole le onde debbano essere più forti, ma non ci si aspettava di vederle organizzate in questi picchi rapidi e coerentemente strutturati», ha spiegato Justin Kasper, principal investigator dello strumento Solar Wind Electrons Alphas and Protons (SWEAP) presso l’Università del Michigan di Ann Arbor. «Stiamo rilevando resti di strutture provenienti dal Sole che vengono scaraventate nello spazio circostante e che mutano violentemente l’organizzazione dei flussi del campo magnetico. Ciò cambierà radicalmente le nostre teorie su come la corona e il vento solare vengono riscaldati». La genesi degli switchback non è ancora chiara, ma i rilievi della Parker Solar Probe hanno permesso agli scienziati di raccogliere elementi utili per la sua comprensione.

Fra le diverse tipologie di particelle che fluiscono dal Sole vi è un costante flusso di elettroni ad altissima velocità che cavalca le linee del campo magnetico solare propagandosi nel sistema solare. Questi elettroni si proiettano fuori dal Sole sempre lungo le linee del campo magnetico, indipendentemente dal fatto che l’orientamento del polo nord del campo stesso in quella zona stia puntando verso o lontano dal Sole. Tuttavia la Parker Solar Probe ha misurato un flusso di elettroni che va nella direzione opposta, tornando verso il Sole, e ha evidenziato implicitamente il fatto che anche il campo magnetico si “ripiega” verso il Sole. La sonda ha rilevato anche una diversa linea di campo magnetico fuoriuscire dal Sole e puntare nella direzione opposta. Tutto ciò suggerisce che gli switchback siano dei ripiegamenti nel campo magnetico, ovvero dei disturbi localizzati che si allontanano dal Sole, piuttosto che un cambiamento nel campo magnetico emergente dal Sole.

Le osservazioni della sonda della NASA relative agli switchback, fanno pensare che questi eventi saranno più comuni da rilevare man mano che Parker si avvicinerà al Sole. Il prossimo flyby solare, previsto per il 29 gennaio 2020, porterà il veicolo spaziale al punto più vicino al Sole mai raggiunto prima e potrebbe gettare una nuova luce sul fenomeno. Queste scoperte non solo ci aiutano a cambiare la nostra comprensione delle cause del vento solare e della meteorologia spaziale; esse ci aiuteranno a comprendere i processi fondamentali del funzionamento delle stelle e di come esse rilasciano la loro energia nello spazio che le circonda.

Il vento solare rotante

Alcune delle misurazioni della Parker Solar probe stanno avvicinando gli scienziati a dare risposte a domande vecchie di decenni, come per esempio a quella relativa all’esatto meccanismo con cui il vento solare fluisce dal Sole.

Nei pressi dello spazio terrestre possiamo osservare il vento solare muoversi in maniera quasi radiale, scaturendo quindi dal Sole per proiettarsi in tutte le direzioni. Tuttavia il Sole ruota, e con esso anche il vento solare prima di essere scagliato nello spazio. Possiamo figurarci questo fenomeno paragonandolo alla classica giostra per bambini; l’atmosfera solare ruota con il Sole, come fa il bordo esterno della giostra e più ci si allontana dal centro, più la velocità verso lo spazio aumenta. Quindi, un bambino posto sul bordo della giostra che saltasse fuori da essa, smetterebbe di ruotare per iniziare a muoversi linearmente. In maniera simile esiste un punto fra la Terra e il Sole in cui il vento solare passa dal moto rotazionale, solidale al Sole, a quello radiale diretto all’esterno, che è poi quello che vediamo dalla Terra. Il punto di transizione fra il moto rotazionale e quello radiale è strettamente collegato alla modalità in cui il Sole diffonde la sua energia. Trovare questo punto potrebbe aiutarci a comprendere meglio il ciclo vitale delle altre stelle ed anche magari i meccanismi di formazione dei dischi proto-planetari, ovvero quei densi dischi di gas e polveri orbitanti attorno alle stelle giovani, che alla fine condensano formando i pianeti.

Ora, per la prima volta, anziché limitarsi ad osservare il flusso radiale come si potrebbe fare anche dalla Terra, la sonda Parker è stata in grado di osservare il vento solare mentre era ancora in rotazione. È come se la sonda avesse visto dal vivo la giostra girare per la prima volta, e non solamente il bambino saltare fuori. La strumentazione ha rilevato la rotazione del flusso solare iniziare a oltre 32 milioni di chilometri dal Sole e ha mostrato che mentre essa si avvicina al perielio la velocità della rotazione aumenta. La forza di questo vortice è risultata essere maggiore di quanto predetto da molti scienziati; inoltre, sempre diversamente delle previsioni, il transito al flusso radiale è avvenuto più rapidamente. È proprio questo meccanismo che impedisce a noi sulla Terra, a 150 milioni di chilometri, di osservare tutti gli altri fenomeni.

«L’enorme flusso rotazionale del vento solare osservato durante i primi incontri è stato una vera sorpresa» ha proseguito Kasper. «Se da un lato abbiamo sperato di poter osservare il moto rotazionale più vicino al Sole, le alte velocità fin qui rilevate nei primi passaggi sono anche dieci volte maggiori di quello che prevedevano i modelli standard».

Polvere attorno al Sole

Un altro quesito che potrebbe trovare una risposta è quello relativo all’elusiva zona libera da polveri. Il sistema solare è inondato di polvere; le briciole cosmiche prodotte dalle collisioni che hanno formato pianeti, asteroidi, comete e gli altri corpi celesti miliardi di anni fa. Gli scienziati hanno sospettato per lungo tempo che, nei pressi del Sole, questa polvere dovesse essere riscaldata a temperature elevate dalla radiazione solare, trasformandosi in gas e creando così una regione di spazio attorno al Sole libera da polvere. Ciò nonostante nessuno ha mai osservato questa zona.

Per la prima volta la Parker Solar Probe ha potuto osservare la nube di polvere cosmica iniziare ad assottigliarsi. Lo strumento per le immagini Wide-Field Imager for Solar Probe (WISPR) della sonda, gestito dal Naval Research Lab, effettua le sue osservazioni dal lato del veicolo spaziale e può vedere ampie bande della corona e del vento solare, incluse le regioni più vicine al Sole. Queste immagini mostrano che la polvere inizia ad assottigliarsi a poco più di 11 milioni di chilometri dalla nostra stella e che il decremento della quantità di polvere continua costantemente fino ai limiti del campo osservativo del WISPR a circa 6,5 milioni di chilometri dall’astro. A questo tasso di assottigliamento gli scienziati si aspettano di incontrare una zona completamente libera da polveri fra i 3 ed i 5 milioni di chilometri circa dal Sole, pertanto la Parker Solar Probe potrebbe osservare questa dust-free-zone già nel 2020, quando, durante il suo sesto flyby, la sonda sfiorerà la stella ad una distanza ravvicinata mai raggiunta prima.

Il meteo spaziale visto da molto vicino

I rilievi di Parker Solar Probe hanno gettato una nuova luce su due tipologie di eventi meteorologici spaziali: le tempeste di particelle energetiche e le espulsioni di massa coronale (Coronal Mass Ejections), ovvero le espulsioni di materiale dalla corona solare sotto forma di plasma costituito essenzialmente da elettroni e protoni, che viene trascinato via dal campo magnetico della corona stessa. Le particelle più piccole, elettroni e ioni, vengono accelerate dall’attività solare, creando delle tempeste di particelle energetiche. Gli eventi sul Sole possono scagliare letteralmente queste particelle per tutto il sistema solare sfiorando la velocità della luce, pertanto raggiungendo la Terra in meno di mezz’ora. Queste particelle sono altamente energetiche e possono danneggiare le elettroniche dei veicoli spaziali così come mettere in pericolo gli astronauti, specialmente quelli stanziati al di fuori della protezione del campo magnetico terrestre. Comprendere esattamente come queste particelle vengono accelerate a tali velocità diventa perciò cruciale. Nonostante esse impieghino pochi minuti per raggiungere la Terra, questo tempo è sufficiente per permettere loro di perdere tutte quelle informazioni legate ai processi che le hanno scagliate nello spazio. Sfiorando il Sole a pochi milioni di chilometri di distanza la sonda può misurare queste particelle poco dopo la loro uscita dalla stella, dando agli scienziati nuove informazioni sui meccanismi della loro espulsione. Gli strumenti di ISOIS, gestiti dall’Università di Princeton, hanno misurato diversi eventi legati alle particelle altamente energetiche mai osservati prima. Si tratta di eventi talmente tenui che le loro tracce vengono perse prima che possano raggiungere la Terra o i satelliti artificiali che la orbitano. Questi strumenti hanno inoltre misurato un raro tipo di esplosione di particelle caratterizzato da un’elevata quantità di elementi chimici pesanti; ciò suggerisce che entrambi i tipi di eventi possano essere più comuni di quanto precedentemente ipotizzato dagli scienziati.

I dati della suite WISPR hanno anche fornito dei dettagli senza precedenti sulle strutture della corona e del vento solare, incluse le espulsioni di massa coronale, le nubi composte da miliardi di tonnellate di materiale solare che il Sole espelle verso il suo Sistema. Le espulsioni di massa coronale, come detto, scatenano una quantità di effetti sia sulla Terra che sugli altri pianeti, che vanno dalle aurore polari alle correnti indotte che possono danneggiare le griglie di potenza e le condutture degli oleodotti. WISPR, dalla sua prospettiva privilegiata, ha già fatto delle sorprendenti scoperte sugli eventi che la nostra stella è in grado di scatenare.

La missione continua

«Il Sole è l’unica stella che possiamo osservare così da vicino» ha spiegato Nicola Fox, direttore della Heliophysics Division presso il quartier generale della NASA a Washington. «La possibilità di ottenere dati direttamente dalla fonte sta già rivoluzionando la comprensione della nostra stella e delle altre stelle sparse nell’universo. La nostra piccola sonda sta affrontando delle condizioni brutali per permetterci di fare rivelazioni sorprendenti ed emozionanti». Durante il suo viaggio, la Parker Solar Probe dovrà affrontare altri 21 incontri ravvicinati con il Sole a delle distanze progressivamente ravvicinate, fino ad eseguire tre orbite a 6,3 milioni di chilometri dalla sua superficie. La missione Parker Solar Probe fa parte del programma della NASA Living with a Star per l’esplorazione degli aspetti del sistema Sole-Terra che influenzano direttamente la nostra vita e la nostra società. Questo programma è gestito dal Goddard Space Flight Center di Greenbelt, Maryland, per lo Science Mission Directorate di Washington. La sonda è stata costruita e viene gestita dal Johns Hopkins APL.

I dati raccolti nei primi due incontri solari sono disponibili online.

Fonte: NASA