La sonda volata più vicina al Sole riscrive la fisica della corona

Abbastanza vicino da sentire il respiro del Sole: una sonda ha volato più vicino al Sole che mai

All'inizio di quest'anno, un veicolo spaziale ha volato più vicino al Sole di qualsiasi altro esploratore nella storia, restituendo una serie di misurazioni che stanno costringendo i fisici a riscrivere un problema classico della scienza solare. La Parker Solar Probe della NASA si è ripetutamente immersa in profondità nell'atmosfera esterna del Sole, arrivando a circa 3,8 milioni di miglia dalla superficie solare visibile durante i suoi incontri più audaci. Queste letture grezze in situ di particelle e campi — effettuate dove nasce il vento solare e dove interagisce ancora fortemente con il campo magnetico del Sole — vengono ora utilizzate con nuovi strumenti di analisi per esporre come l'energia viene trasferita nel vento e perché la corona si trovi a temperature di milioni di gradi.

La Parker Solar Probe è stata lanciata nel 2018 e utilizza una sequenza di assist gravimetrici di Venere per abbassare il suo perielio nell'eliosfera interna. Nei suoi passaggi più ravvicinati, la sonda ha attraversato regioni che, fino a poco tempo fa, erano territorio puramente teorico per gli eliofisici. Tale vicinanza è fondamentale: gli strumenti a bordo della sonda campionano direttamente le distribuzioni di velocità di ioni ed elettroni, non indirettamente attraverso segnali luminosi o radio a distanza. Queste distribuzioni non appaiono come le semplici curve maxwelliane a campana ipotizzate da molti modelli; sono invece asimmetriche e strutturate, e portano le impronte di recenti attività di riscaldamento e ondulatorie.

Poiché la sonda attraversa fisicamente la corona e il giovane vento solare, gli scienziati possono confrontare le misurazioni locali con le aspettative di teorie di lunga data. Il set di dati è insolito sia per vicinanza che per fedeltà: campi magnetici, velocità e densità delle particelle, onde elettromagnetiche in una gamma di frequenze — tutto misurato entro pochi milioni di miglia dal Sole. Questa combinazione è ciò che permette ai ricercatori di testare, respingere e perfezionare i meccanismi di riscaldamento che sono stati oggetto di dibattito per più di un secolo.

Perché il volo ravvicinato della sonda rivela indizi sul riscaldamento coronale

Il mistero secolare al cuore di queste osservazioni è il problema del riscaldamento coronale: l'atmosfera esterna del Sole, la corona, è di ordini di grandezza più calda della superficie visibile sottostante. La fotosfera si attesta intorno ai 5.800 kelvin, ma la corona raggiunge temperature di milioni di kelvin. Come l'energia si sposti dagli strati inferiori del Sole verso un plasma tenue che, ciò nonostante, diventa molto più caldo è un enigma fin da quando le alte temperature coronali furono dedotte per la prima volta all'inizio del XX secolo.

Un nuovo lavoro pubblicato quest'anno utilizza le misurazioni ravvicinate di Parker insieme a uno strumento di analisi numerica chiamato ALPS — l'Arbitrary Linear Plasma Solver — per affrontare direttamente questo enigma. ALPS permette agli scienziati di calcolare come le distribuzioni di velocità delle particelle non maxwelliane osservate interagiscano con le onde elettromagnetiche su scala ionica: quali onde vengono emesse, quali vengono assorbite e quanta energia viene scambiata. Il risultato è un resoconto molto più dettagliato del flusso di energia nell'eliosfera interna rispetto ai modelli precedenti che ipotizzavano popolazioni di particelle termalizzate.

Cosa ha scoperto la sonda: onde, smorzamento e raffreddamento lento

Il punto saliente della nuova analisi è che il vento solare non si limita a espandersi e raffreddarsi mentre sfugge al Sole; al contrario, subisce un riscaldamento continuo dovuto a interazioni onda-particella su piccola scala. Le misurazioni di Parker mostrano anisotropie persistenti e scostamenti dall'equilibrio termico nelle velocità degli ioni, e ALPS indica che queste caratteristiche non termiche consentono l'emissione e l'assorbimento di onde su scala ionica. L'assorbimento di queste onde da parte di specifiche popolazioni di particelle trasferisce energia alle particelle stesse e rallenta il raffreddamento che altrimenti risulterebbe dalla pura espansione.

Gli scienziati descrivono la conseguenza osservabile come "smorzamento": l'energia delle onde viene convertita in energia cinetica delle particelle e ridistribuita tra ioni ed elettroni. Tale smorzamento non è uniforme — dipende dalla geometria magnetica locale, dalla forma delle distribuzioni di velocità e da quali modi d'onda sono presenti — e questo riscaldamento spazialmente variabile aiuta a spiegare perché la corona rimanga così calda vicino al Sole e come il vento solare acquisti velocità mentre fluisce verso l'esterno.

Impatti per il meteo spaziale, i satelliti e l'astrofisica

Questi non sono solo dettagli esoterici. Una migliore comprensione di come e dove il vento solare viene riscaldato alimenta direttamente i modelli che prevedono l'evoluzione delle espulsioni di massa coronale e delle tempeste di particelle nel loro percorso verso la Terra. Un trattamento più realistico delle distribuzioni delle particelle e dello smorzamento cambierà i calcoli su quanto diventino veloci ed energetiche le eruzioni solari mentre viaggiano attraverso l'eliosfera. Per gli operatori di satelliti, reti elettriche e rotte aeree vicino ai poli, ciò può tradursi in allarmi migliori e rischi ridotti.

Oltre all'ambiente vicino alla Terra, la fisica scoperta dove una sonda ha volato più vicino al Sole che mai ha un'ampia portata. I plasmi caldi e magnetizzati sono onnipresenti nell'universo — nei dischi di accrescimento attorno ai buchi neri, nei venti di altre stelle e nel gas tenue tra le galassie. Lo stesso tipo di processi onda-particella e di distribuzioni di velocità non termiche probabilmente controllano la dissipazione di energia anche in quei sistemi; pertanto, le lezioni apprese da Parker saranno integrate nei modelli astrofisici per gli anni a venire.

Come cambia il quadro e cosa succederà dopo

Fino ad ora, molti modelli trattavano il vento solare nascente come approssimativamente termico e utilizzavano prescrizioni semplificate per il riscaldamento delle onde. Le nuove misurazioni dirette mostrano che tali presupposti trascurano importanti canali di trasferimento energetico. Combinando i dati in situ con risolutori come ALPS, i ricercatori possono ora prevedere quali popolazioni di particelle guadagnano energia e a quali distanze radiali — previsioni che possono essere convalidate rispetto ai ripetuti passaggi di Parker mentre la sonda campiona diverse parti della corona attraverso il ciclo solare.

I prossimi passi includono l'ampliamento del set di incontri analizzati, il confronto dei dati di Parker con le osservazioni remote di altri veicoli spaziali e l'integrazione dei termini di riscaldamento perfezionati nei modelli eliosferici globali. I team stanno già lavorando per mappare il "punto di non ritorno" nell'atmosfera del Sole — il confine dove il plasma sfugge al contenimento magnetico del Sole — e per tracciare come lo smorzamento e l'assorbimento delle onde cambino con l'attività solare. Mentre Parker continua ad abbassare il suo perielio, queste mappe acquisteranno risoluzione e potere predittivo.

Fonti