Stelle letali

La Terra viene spesso investita da eruzioni solari. Le enormi quantità di plasma caldo riversate dal Sole nello spazio in queste occasioni sono all’origine di quello spettacolo della Natura noto come aurora polare. Un fenomeno poetico che ci ricorda, però, quanto la nostra stella sia un vicino di casa imprevedibile: le eruzioni solari possono avere, in casi estremi, anche gravi conseguenze per il nostro pianeta. Nulla, tuttavia, in confronto alle eruzioni che si osservano in altre stelle, i cosiddetti superflares. I superflares o, letteralmente, super-brillamenti, rappresentano un mistero da quando sono stati scoperti in gran numero dalla missione NASA Kepler, quattro anni fa, anche su stelle apparentemente simili al Sole. Gli astronomi si chiedono se i superflares siano prodotti dallo stesso meccanismo che genera le ‘normali’ eruzioni solari. Se è così, vuol dire che anche il Sole è potenzialmente in grado di produrre un super-brillamento. Oppure le stelle che producono superflare sono, a loro modo, speciali?
Un gruppo di ricerca internazionale guidato da Christoffer Karoff dell’Università di Aarhus, in Danimarca, e del quale fanno parte Antonio Frasca e Alfio Bonanno dell’INAF-Osservatorio Astrofisico di Catania, ha ora fornito risposte ad alcune di queste domande. Risposte non del tutto rassicuranti, l’oggetto di un articolo pubblicato oggi online su Nature Communications.

Un vicino di casa pericoloso

Il Sole è in grado di produrre eruzioni di potenza impressionante, tali da interrompere le comunicazioni radio e i generatori d’energia sulla Terra. La più grande eruzione mai osservata, durante la quale un’enorme quantità di plasma caldo investì il nostro pianeta, ebbe luogo all’inizio del mese di settembre del 1859. Il primo giorno di settembre di quell’anno, per l’esattezza, l’astronomo inglese Richard Carrington osservò, in una delle macchie scure sulla superficie del Sole, l’improvvisa formazione di strutture luminose accecanti, che brillavano più della superficie solare. Questo fenomeno non era mai stato osservato prima e nessuno sapeva quello che sarebbe accaduto in seguito. La mattina successiva, il 2 settembre 1859, le prime particelle emesse da quello che ora sappiamo essere stata un’enorme eruzione solare raggiunsero la Terra. La tempesta solare del 1859 è anche conosciuta come l’Evento di Carrington. Aurore “polari” furono osservate a latitudini inusuali, molto basse, come a Roma, a Cuba e persino alle isole Hawaii. Il sistema telegrafico mondiale andò in tilt. E le registrazioni delle carote di ghiaccio provenienti dalla Groenlandia indicano che lo strato protettivo di ozono dell’atmosfera terrestre fu danneggiato dalle particelle energetiche dalla tempesta solare.

Può il Sole generare un super-brillamento?

Ora, la nostra galassia contiene miliardi di altre stelle, e alcune di queste sperimentano regolarmente eruzioni che possono essere fino a diecimila volte più intense dell’Evento di Carrington. Per capire se questi superflares sono originati dallo stesso meccanismo che produce le eruzioni solari e per valutare, grazie alla grande statistica di stelle analizzate, quale sia la probabilità che la nostra stella generi un evento di questa natura, Christoffer Karoff e il suo team hanno analizzato le osservazioni delle righe del calcio ionizzato, un efficace indicatore dell’intensità di campo magnetico, relative a un campione di quasi 100 mila stelle nella regione di cielo inquadrata dal telescopio spaziale Kepler della NASA. Osservazioni effettuate con il nuovo telescopio Guo Shou Jing (detto anche LAMOST, Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopic Telescope), ottimizzato per ottenere spettri fino a un massimo di 4.000 stelle simultaneamente (grazie alle 4.000 fibre ottiche collegate al piano focale), così da permettere lo studio – capacità davvero unica – di 100 mila stelle in poche settimane. Con quali risultati? «I campi magnetici sulla superficie delle stelle con superflares», spiegaAntonio Frasca, «sono generalmente più intensi di quelli che misuriamo sul Sole. Se isuperflares si formano in modo analogo alle eruzioni solari, questo è esattamente ciò che ci si aspetta: l’energia emessa nel brillamento è funzione dell’intensità del campo e delle dimensioni delle strutture magnetiche coinvolte. Un risultato che da un lato ci tranquillizza, perché il campo magnetico solare sembra troppo debole rispetto ai valori medi delle stelle con superflares. Ma questo è vero solo “in media”: infatti circa il 10 percento delle stelle con superflares – con energie fino a 50 volte superiori all’Evento di Carrington – da noi studiate presenta un campo magnetico paragonabile a quello solare o anche più basso. Quindi, statisticamente parlando, anche il Sole potrebbe produrre un evento di questa energia. E le conseguenze sulla Terra sarebbero molto gravi, non solo per tutte le apparecchiature elettroniche, ma anche per la nostra atmosfera».

Gli alberi nascondono un segreto

Gli “archivi geologici” mostrano come lo stesso Sole potrebbe aver generato un piccolo superflare nel 775 d.C., con un rilascio di energia circa dieci volte più grande dell’Evento di Carrington. Gli anelli di accrescimento degli alberi indicano, infatti, che grandi quantità di carbonio-14 (un isotopo radioattivo del carbonio) si sono formate nell’atmosfera terrestre in quel periodo. Il carbonio-14 si forma quando le particelle dei raggi cosmici dalla nostra galassia, la Via Lattea, o i protoni energetici provenienti soprattutto dal Sole, colpiscono l’atmosfera terrestre. I protoni energetici sono emessi in grande quantità durante le eruzioni solari. I risultati ottenuti dal telescopio LAMOST rafforzano l’idea che l’evento del 775 d.C. sia stato effettivamente un “piccolo” superflare, ossia un’eruzione solare 10-100 volte più intensa della più grande eruzione solare osservata durante l’era spaziale. I dati raccolti dal telescopio LAMOST possono inoltre essere utilizzati per valutare la frequenza con la quale si verificano superflare su una stella con un campo magnetico simile al Sole. «La stima fornita dal nostro studio», dice Alfio Bonanno, «indica che, su una stella come il Sole, la frequenza per eventi di questa intensità è dell’ordine di un superflare ogni mille anni. La probabilità di avere eventi d’energia maggiore è senz’altro più bassa, e fortunatamente non abbiamo indicazioni d’eventi con energia di 1035 erg (circa 500 volte l’Evento di Carrington) su stelle con campi magnetici paragonabili a quello solare. Un fenomeno simile sarebbe davvero devastante per il nostro pianeta, ma dovrebbe generarsi in una macchia solare con dimensioni dell’ordine del 30 percento del raggio della nostra stella. Una struttura simile non è mai stata osservata sulla fotosfera solare, da quando essa viene seguita con regolarità (quasi 300 anni). Anzi, i gruppi di macchie più grandi osservati hanno dimensioni di pochi centesimi di raggio solare. Forse questo ci rassicura un poco, anche se il Doomsday Argument», conclude Bonanno riferendosi all’ipotesi secondo la quale ci troveremmo oggi più prossimi alla fine della nostra civiltà che ai suoi albori, «è sempre in agguato».
Redazione Media Inaf

Antiche catastrofiche tempeste solari

Un team di ricercatori formato da scienziati delle Università svedesi di Lund e di Uppsala ha pubblicato su Nature Communications uno studio secondo il quale la terra sarebbe stata colpita più di mille anni fa da due tempeste solari di proporzioni catastrofiche. Le tempeste solari sono legate alle eruzioni solari, che provocano l’emissione di grandi quantità di particelle. Se colpiscono la Terra tali particelle interagiscono con il campo magnetico terrestre che le guida verso le aree polari, in cui sono alla base di fenomeni spettacolari come le aurore boreali e australi. Negli ultimi anni la Terra è stata interessata da grandi tempeste solari, che nei casi più violenti hanno portano ad interruzioni nella distribuzione di corrente elettrica, come quella dell’ottobre 2003 in Svezia e del marzo 1989 in Canada. L’Ultimo “allarme” tempesta solare lo abbiamo avuto lo scorso 22 ottobre, quando il sole ha prodotto un lunghissimo brillamento, durato oltre tre ore. Allarme che fortunatamente si è concretizzato in nulla di più che qualche spettacolare fenomeno di aurora, visibile a chi si trovasse ai Poli. Ma le tempeste solari di cui gli scienziati ora hanno ora trovato le tracce nei ghiacci estratti in Groenlandia e Antartide sono stati almeno dieci volte più grandi per intensità rispetto a quello osservato negli ultimi decenni. Dalle evidenze riscontrate i ricercatori giungono alla conclusione che i due eventi studiati sono stati di una potenza maggiore di quanto fino ad oggi si fosse ipotizzato tali fenomeni potessero giungere. «Se eventi di questa intensità colpissero oggi il nostro pianeta avrebbero effetti devastanti sui nostri sistemi di comunicazione, sui satelliti e gli impianti elettrici» dice Raimund Muscheler del Dipartimento di Geologia dell’Università di Lund. I ricercatori di questo ateneo, insieme a colleghi dell’Università di Uppsala, così come ricercatori di Danimarca e Stati Uniti sono da tempo a “caccia” delle tracce lasciate dalle tempeste solari nei ghiacci della Groenlandia e dell’Antartide. Alcuni anni fa i ricercatori hanno trovato tracce di un rapido aumento del carbonio radioattivo nei tronchi di alberi in corrispondenza di anelli risalenti al 774/775 e al 993/994 d.C., e le ragioni di tale innalzamento erano ancora non chiare e assai dibattute. «Nello studio, che viene oggi pubblicato, abbiamo puntato a lavorare in modo sistematico per cercare di scoprire quale fosse la causa di tali eventi ed ora abbiamo l’evidenza dello stesso aumento di carbonio radioattivo nei campioni di ghiaccio corrispondenti agli stessi periodi storici. Grazie a questi nuovi dati è possibile stabilire che la causa di questo misterioso innalzamento del livello di carbonio radioattivo è stato proprio legato a due grandi tempeste solari», aggiunge Muscheler. Lo studio, inoltre, fornisce per la prima volta una valutazione affidabile dei flussi di particelle legate a questi eventi, e Muscheler sottolinea l’importanza di questo dato per la futura pianificazione di sistemi elettronici affidabili: «Queste tempeste solari hanno di gran lunga superato ogni fenomeno analogo ad oggi noto e che si è potuto osservare e misurare sulla Terra. I risultati dovrebbero portare a una nuova valutazione dei rischi connessi con le tempeste solari», aggiunge Muscheler. Su questo nuovo lavoro e sulle tempeste solari in generale abbiamo raccolto un commento di Mauro Messerotti, fisico solare dell’INAF presso l’Osservatorio Astronomico di Trieste. «Le misure dirette dello spettro delle particelle energetiche solari che hanno dato origine ad impatti sul geospazio, ovvero sui sistemi tecnologici e biologici, sono relativamente recenti, poiché possibili solamente da osservatori spaziali in orbita nelle ultime decine di anni. Vi sono indicatori indiretti – come i radioisotopi di varie specie atomiche – la cui interpretazione è però molto complessa e non sempre univoca. Per questo motivo è molto difficile, ad esempio, stabilire se la tempesta solare di Carrington (1859) sia stata la più intensa in epoche recenti oppure se quella del 1921 l’abbia superata in intensità di impatto, come evidenziato da vari team di ricerca. Attualmente la progettazione dei veicoli spaziali impiega dei livelli di resistenza alle particelle che sono basati sulle misure attuali, alle quali si applica un fattore moltiplicativo di sicurezza per il valore massimo atteso. In questo ambito lo studio considerato indica che gli eventi a particelle del 774/775 e del 993/994 d.C. presentano dei livelli di gran lunga superiori a qualsiasi evento estremo di space weather sino ad oggi conosciuto. Assumendo che eventi di questo tipo possano verificarsi al giorno d’oggi, e non vi è nessuna indicazione scientifica che ciò non possa avvenire, l’impatto sarebbe devastante per la funzionalità di tutti i sistemi tecnologici basati a terra e nello spazio, sia per applicazioni civili che militari. Questo apre un nuovo scenario che obbliga a riconsiderare le peggiori condizioni dell’ambiente di radiazioni nel geo spazio e degli effetti che tali condizioni possono determinare. Sarà pertanto opportuno, per quanto si tratti di possibilità remote, riconsiderare le procedure di protezione civile per far fronte agli impatti sulla società, come anche le soglie di sicurezza nella progettazione dei satelliti e nell’effettuazione delle missioni spaziali. Infatti eventi estremi a bassissima probabilità possono, qualora si verifichino, avere effetti devastanti a lungo periodo. Poche nazioni al mondo hanno la consapevolezza di questo aspetto e sono preparate ad affrontare le situazioni conseguenti».
di Francesca Aloisio (INAF)

Il mistero della corona solare

Un gruppo internazionale di ricercatori guidati da Takenori Okamoto del Solar-Terrestrial Environment Laboratory presso la Nagoya University e ISAS/JAXA e da Patrick Antolin del National Astronomical Observatory of Japan a Tokyo ha analizzato una serie di immagini ad alta risoluzione fornite dalla missione Hinode della Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) confrontandole con quelle ottenute dallo spettrografo IRIS (Interface Region Imaging Spectrograph) della NASA e con le simulazioni numeriche e i modelli costruiti con il super computer ATERUI del National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). Gli scienziati sono stati in grado di ottenere le prime evidenze osservative dell’assorbimento risonante, un processo che avviene in presenza di forti campi magnetici e che si ritiene giochi un ruolo importante per risolvere il cosiddetto “problema della temperatura coronale”. I risultati di questo studio sono riportati su Astrophysical Journal.
L’assorbimento risonante è quel processo fisico in cui due tipi differenti di onde magnetiche risuonano, rinforzando una di esse: stiamo parlando delle onde di Alfvén, che si possono propagare lungo una protuberanza solare, cioè una struttura a forma di filamento costituita da gas denso e freddo che si muove nella corona. Dunque, per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di osservare direttamente questo processo che avviene durante la propagazione di onde trasversali e onde di torsione e che dà luogo a un flusso turbolento che, a sua volta, riscalda la protuberanza. Con lo strumento Hinode è stato possibile osservare il moto trasversale mentre grazie a IRIS si è misurato il moto di torsione, un risultato che non sarebbe stato raggiunto senza l’utilizzo dei due satelliti. Ora, questa preziosa informazione potrebbe aiutare i fisici solari a spiegare come mai la corona raggiunge temperature dell’ordine di un milione di gradi Celsius, un fatto noto come “problema della temperatura coronale” che per oltre 70 anni ha sfidato qualsiasi interpretazione fisica.
La corona solare, ossia lo strato più esterno dell’atmosfera solare, è composta da gas estremamente caldo, detto plasma, le cui temperature possono raggiungere diversi milioni di gradi Celsius. Nello strato più esterno del Sole, cioè la parte più distante dal nucleo dove avvengono le reazioni nucleari che forniscono energia alla stella, ci si aspetta che le temperature siano molto più basse. Di fatto, questa regione della nostra stella risulta 200 volte più calda della fotosfera, lo strato che si trova immediatamente sotto. Questa contraddizione ha imbarazzato gli astrofisici sin da quando venne misurata per la prima volta più di 70 anni fa la temperatura della corona. Le missioni satellitari dedicate allo studio del Sole hanno permesso di rivelare che il campo magnetico solare gioca, di fatto, un ruolo essenziale in questo particolare processo. Ma secondo gli scienziati, la chiave per risolvere questo problema sta nel comprendere come l’energia magnetica può essere convertita in calore, ed in maniera efficiente, nella corona. Perciò, per risolvere questo enigma sono state introdotte due teorie.
La prima riguarda i brillamenti solari. Anche se ogni brillamento è in grado di convertire enormi quantità di energia magnetica in energia termica, la frequenza complessiva dei brillamenti solari non è abbastanza elevata per tener conto di tutta l’energia necessaria che serve a riscaldare la corona solare. Per risolvere questa discrepanza, è stata introdotta l’ipotesi dei “nano-brillamenti”. Si ritiene che brillamenti solari in miniatura si formino continuamente nella corona e che la somma delle loro azioni sia in grado di convertire abbastanza energia magnetica in calore. Sfortunatamente, però, questi nano-brillamenti non sono stati ancora osservati. La seconda ipotesi, invece, si basa, sulle onde magnetiche. Grazie alle missioni spaziali, come quella giapponese Hinode lanciata nel 2006, ora sappiamo che l’atmosfera solare è permeata da onde di Alfvén. Queste onde di tipo magnetico possono trasportare una significativa quantità di energia lungo le linee di forza del campo magnetico, cioè abbastanza energia in grado di riscaldare la corona. Tuttavia, affinchè la teoria funzioni, c’è bisogno di un meccanismo mediante il quale questa energia venga convertita in calore.
Per verificare se esiste questo meccanismo di conversione dell’energia, il team ha combinato i dati di due missioni spaziali: stiamo parlando di Hinode e IRIS, due satelliti dedicati rispettivamente a osservazioni dirette e alla spettroscopia solare (IRIS è stato messo in orbita nel 2013). Entrambi gli strumenti hanno analizzato la stessa protuberanza solare (figura 1), una struttura a forma di filamenti costituita da gas freddo e denso che fluttua nella corona. Qui, l’aggettivo “freddo” è un termine relativo, dato che queste strutture possono raggiungere temperature dell’ordine di 10.000 gradi. Anche se una tale struttura sia più densa di tutto il resto della corona, una protuberanza non cede poiché le linee di forza del campo magnetico agiscono come una sorta di “rete magnetica” che la mantiene in vita. I singoli filamenti che compongono la protuberanza, denominati “fili”, seguono le linee di forza.
Le elevate risoluzioni spaziale e temporale di Hinode hanno permesso ai ricercatori di osservare piccoli movimenti in un piano bidimensionale dell’immagine (su/giù, destra/sinistra). Poi, per studiare il fenomeno nelle tre dimensioni, i ricercatori hanno utilizzato IRIS per misurare la velocità Doppler, cioè la velocità osservata lungo la linea di vista. Inoltre, i dati dello spettro ricavati mediante lo strumento IRIS hanno fornito una informazione importante sulla temperatura della protuberanza. Questi strumenti così diversi tra loro permettono di rivelare tipi differenti di onde di Alfvén: in altre parole, Hinode è in grado di rivelare onde trasversali mentre IRIS può rivelare onde di torsione. L’analisi comparativa dell’insieme dei dati forniti dai due satelliti ha mostrato che questi due tipi di onde sono in realtà sincronizzati e che allo stesso tempo si nota un aumento della temperatura nella protuberanza che va da 10.000 gradi fino a oltre 100.000 gradi. È la prima volta che viene stabilita una correlazione stretta tra le onde di Alfvén e il processo di riscaldamento della protuberanza.
Tuttavia, le onde non sono sincronizzate come si aspettano gli scienziati. Pensiamo ad un cucchiaino che si muove avanti-indietro in una tazzina di caffè: il moto di torsione a mezzo giro attorno all’estremità del cucchiaino appare istantaneamente. Ma nel caso dei “fili” della protuberanza, il moto di torsione è per metà fuori sincrono rispetto al moto trasversale: in altre parole, c’è un certo ritardo tra la velocità massima del moto trasversale e quella del moto di torsione (figura 2), un po’ come il ritardo che si ha tra il moto dei fianchi di una ballerina che indossa una gonna lunga e il moto stesso della gonna. Per comprendere questo risultato inaspettato, il team ha utilizzato il supercomputer ATERUI del NAOJ in modo da realizzare una serie di simulazioni numeriche tridimensionali di un “filo” relativo ad una protuberanza oscillante. Dei vari modelli teorici che sono stati considerati, uno che riguarda l’assorbimento risonante ha fornito la miglior descrizione ai dati osservativi. In questo modello, le onde trasversali risuonano con quelle di torsione, rinforzandole, un po’ come quando un bambino può aggiungere energia all’altalena facendola oscillare più in alto e più velocemente, man mano che si muove a tempo con il moto di oscillazione dell’altalena stessa. Le simulazioni, dunque, mostrano che questa risonanza si ha all’interno di uno specifico strato della struttura a filamento della stessa protuberanza in prossimità della sua superficie. Quando ciò avviene, viene generato, e allo stesso tempo amplificato, un moto di torsione a mezzo-giro attorno all’estremità: si parla di flusso di risonanza. Ma a causa della sua posizione vicino all’estremità, la velocità massima del flusso di torsione viene ritardata della metà rispetto al valor massimo della velocità relativa al moto trasversale, che è proprio ciò che si osserva nella realtà (figura 2).
Le simulazioni hanno poi mostrato che questo flusso di risonanza lungo la superficie di una struttura a filamento della protuberanza può diventare decisamente turbolento. L’emergere della turbolenza è di grande rilevanza dato che risulta alquanto efficiente nel convertire l’energia dell’onda in energia di calore. Un altro effetto importante della turbolenza è quello di incrementare il flusso di risonanza, così come predetto nei modelli, fino alle dimensioni osservate. Riepilogando, il modello è in grado di spiegare i dati osservativi in termini di un processo a due-fasi: inizialmente, il processo di assorbimento risonante trasferisce energia al moto di torsione, producendo un flusso di risonanza lungo la superficie della struttura a filamenti della protuberanza; poi, la turbolenza che appare nel flusso, rafforzato dal processo di risonanza, converte l’energia in calore (figura 2).
Insomma, questo lavoro mostra che la capacità osservativa di più satelliti, quali Hinode e IRIS, può essere combinata per studiare alcuni problemi astrofisici ancora irrisolti e servirà da esempio per altri lavori di ricerca che stanno tentando di dare una spiegazione ad altri fenomeni simili nell’ambito della fisica solare.
di Corrado Ruscica (INAF)

2030, torna l’era glaciale?

Galeotta fu la percentuale: meno 60%. Questa la previsione sfornata per i prossimi anni Trenta dal modello presentato qualche giorno fa da Valentina Zharkova, della Northumbria University, al National Astronomy Meeting di Llandudno, nel Galles settentrionale. “Meno 60%” di cosa? D’attività solare, scrivono Zharkova e colleghi. Una caduta che potrebbe riportarci indietro di 370 anni, ai tempi del cosiddetto Minimo di Maunder: un’epoca coincidente con l’apice della piccola era glaciale. Apriti cielo. Come possiamo leggere nella bella ricostruzione postata ieri da Paolo Attivissimo sul suo blog “Il Disinformatico”, complice un fraintendimento del significato di quel “meno 60%” – attribuito erroneamente da alcuni non all’attività solare come la intendono i fisici, dunque fenomeni (come le macchie o le eruzioni) legati ai cicli della nostra stella, bensì tout court a quanto il Sole ci scalderebbe – la notizia ha presto assunto toni alquanto allarmistici: crollo delle temperature, scenario inquietante, spegnimento del Sole fino al 60%… Come stanno le cose? Quanto c’è di vero e quanto invece è un’esagerazione? Dobbiamo preoccuparci, o magari tirare un sospiro di sollievo per lo scampato riscaldamento globale, oppure è presto per trarre conclusioni? Media INAF lo ha chiesto a Mauro Messerotti, esperto di fisica solare presso l’INAF-Osservatorio astronomico di Trieste.

Partiamo dallo studio all’origine di questa previsione, il modello presentato da Valentina Zharkova al meeting in Llandudno. Di che si tratta?

«Il Sole è un sistema fisico complesso nel quale operano vari meccanismi concorrenti che hanno natura caotica. Questo rende molto difficile la previsione dell’evoluzione futura dei fenomeni che osserviamo sulla nostra stella, dal campo magnetico generale a quello localizzato nelle macchie solari, ecc. Infatti ciascun ciclo di attività solare è diverso da tutti gli altri per durata, intensità massima e forma. E questo vale sia per il ciclo undecennale delle macchie solari che per quello ventiduennale dei campi magnetici. Vari modelli sono stati proposti per prevedere il ciclo di attività (ne esistono molte decine), e alcuni di essi cercano di riprodurre l’evoluzione del meccanismo della dinamo solare, che è alla base della formazione delle macchie solari. A causa della natura caotica dei processi solari (e ciò vale anche per quelli che esibiscono una caoticità di tipo deterministico) la previsione dell’evoluzione futura del ciclo di attività non ha ancora condotto a risultati soddisfacenti. La recente riprova è stata l’inadeguatezza nel prevedere il ciclo attuale, preceduto da un prolungato minimo e di modesta intensità. Il metodo di Zarkhova e collaboratori considera un meccanismo basato su due processi di dinamo distinti che operano nel Sole a profondità diverse e con fasi diverse, i cui effetti si rinforzano oppure si cancellano a seconda del periodo considerato. Gli autori hanno inoltre applicato con successo il loro modello su tre cicli di attività e l’hanno quindi usato per prevedere l’andamento futuro del ciclo, che indicherebbe un’evoluzione verso un indebolimento significativo dell’attività solare nei prossimi decenni».

Ed è una previsione affidabile?

«Il modello è certamente originale e promettente, ma necessita, secondo me, di ulteriori verifiche prima che possa essere assunto come uno strumento operativo. Ciò è prassi comune nella meteorologia dello spazio: gli scienziati formulano un modello, ma prima che esso divenga strumento di previsione deve essere verificato per comprenderne i limiti e le capacità, un processo che di solito richiede molti decenni. In particolare servono dettagliate osservazioni eliosismologiche per confermare la possibilità che esista un processo di dinamo più superficiale, in regioni dove la turbolenza è molto elevata. Oltre a questo, il modello deve essere verificato sul maggior numero possibile di cicli. Anche così, la caoticità del Sole potrebbe rendere incerta la previsione. Per dare un’idea del problema possiamo fare una serie di considerazioni. Supponiamo infatti che il ciclo di attività solare abbia iniziato a manifestarsi 4,6 miliardi di anni fa. Ciò significa che ad oggi il Sole ha esibito 418 milioni di cicli undecennali, di cui quelli codificati scientificamente dal 1750 sono 24, quelli verificatisi dall’inizio dell’Era Spaziale (1957) sono 5 e quelli studiati compiutamente da sonde spaziali sono solo 2. Ecco perché servono studi sistematici e diacronici (a lungo termine) del Sole: per comprenderne meglio la fisica ovvero per poter verificare la modellistica».

Ma quel 60% di attività solare in meno ripreso da molti media, anche qui in Italia, allora? Si sono visti titoli che annunciano, per il 2030, un possibile “crollo delle temperature”, una “mini-era glaciale”…

«L’andamento degli ultimi cicli di attività solare sembra indicare un indebolimento progressivo dell’attività, ma gli aspetti evidenziati ci rendono cauti nell’accettare previsioni a lungo termine, poiché non abbiamo ancora un modello “definitivo” che ci garantisca un elevato livello di confidenza. Oltre all’incertezza dei modelli, ci sono altri fondati motivi per considerare azzardato affermare che ci stiamo avviando verso un’era glaciale perché l’attività solare si ridurrà del 60%. Innanzitutto, come sottolinea il Pannello Intergovernativo per i Cambiamenti Climatici (IPCC) dell’Organizzazione Meteorologica Mondiale (WMO), il nostro livello di comprensione scientifica sul ruolo del Sole nei cambiamenti climatici è ancora molto basso. Sicuramente la radiazione solare più energetica (X ed UV) varia fino ad un fattore 10 dal minimo al massimo di attività e ha un ruolo nella termodinamica dell’atmosfera terrestre, ma i meccanismi sono complessi ed ancora non completamente compresi. Probabilmente variazioni a lungo termine dell’irradianza spettrale del Sole concorrono a modificare l’Oscillazione Artica (AO) e quella Nord-Atlantica (NAO) della pressione atmosferica a livello del mare, modificando intensità e direzione dei venti occidentali e delle perturbazioni. Ma studi e analisi sono in corso, e non esiste una risposta definitiva. Quindi, nonostante diverse indicazioni siano state identificate, non siamo assolutamente certi che una diminuzione di attività solare prolungata possa condurre a una glaciazione sulla Terra».

Provando ad azzardare una stima, però, la temperatura potrebbe scendere? E se sì di quanto?

«Gli studi del paleoclima evidenziano variazioni di temperature globali nel passato della Terra in associazione con diminuzioni prolungate per decenni dell’attività solare. La diminuzione di temperatura globale stimata per i casi più recenti è dell’ordine di 1 grado centigrado, che non è certo trascurabile».

Quali sono i casi più recenti? Quello al quale fa riferimento Valentina Zharkova, per esempio, la “mini era glaciale” iniziata del 1645?

«Gli studi climatologici indicano che la Piccola Era Glaciale si è verificata sulla Terra tra il 1550 ed il 1850, evidenziando tre periodi particolarmente freddi alle latitudini intermedie ad iniziare, rispettivamente, dal 1650, 1770 e 1850. Mentre l’attività solare ha presentato una serie di periodi a livelli minimi dal 1280 al 1350 (70 anni, Minimo di Wolf), dal 1460 al 1550 (90 anni, Minimo di Spoerer), dal 1645 al 1715 (70 anni, Minimo di Maunder) e dal 1790 al 1830 (40 anni, Minimo di Dalton). Sia le cronache dell’epoca che gli studi scientifici evidenziano una diminuzione di temperature in corrispondenza a tali periodi. D’altra parte la loro durata e la loro collocazione temporale suggeriscono come sia impossibile identificare periodicità ben definite di tali fenomeni, che avvengono, evidentemente, a scale temporali diverse e questo complica il quadro fenomenologico e quindi la sua previsione a lungo termine».

Insomma, parlare di scenari inquietanti e di rischio di glaciazioni imminenti pare sia ancora prematuro…

«A mio avviso, la previsione relativa al 2030 ha una margine di incertezza molto elevato, che deriva dal comportamento caotico dei processi solari, dalla limitata comprensione che di essi abbiamo e dalla inevitabile semplificazione introdotta dai modelli, la cui verifica a lungo termine è una necessità irrinunciabile».
di Marco Malaspina (INAF)

La sentinella del Sole è pronta

Ci ha messo quasi quattro mesi per completare il suo viaggio di un milione e mezzo di chilometri nello spazio, ma ora la sonda Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) dell’agenzia statunitense NOAA ha raggiunto la sua destinazione, ovvero il punto di Lagrange L1. Da lì, una volta completate le procedure di controllo e calibrazione degli strumenti di bordo, DSCOVR inizierà la sua attività di controllo e monitoraggio delle proprietà del vento solare, il flusso incessante di particelle e plasma che emette la nostra stella e che investe anche la Terra. La sonda sarà in grado di segnalare l’arrivo verso il nostro pianeta di fenomeni legati all’attività solare particolarmente intensi e che possono avere un impatto significativo sull’ambiente terrestre. I dati raccolti dalla missione, abbinati a un nuovo modello di previsione che sarà rilasciato il prossimo anno, permetteranno così agli scienziati di valutare l’intensità delle tempeste geomagnetiche sul nostro pianeta con un anticipo di qualche decina di minuti prima del loro sviluppo e con un livello di dettaglio che raggiungerà scale regionali. Questi fenomeni si innescano quando il plasma e i campi magnetici emessi dal Sole si scontrano con il campo magnetico terrestre. Gli eventi più intensi possono, nelle condizioni peggiori, determinare interruzioni nei sistemi di telecomunicazione e di posizionamento satellitare, fino ad arrivare a black out sulle linee elettriche di alta tensione nelle zone prossime ai poli e problemi ai satelliti e agli astronauti in orbita. «DSCOVR ci invierà avvisi in tempo reale non appena registrerà impulsi di energia in grado di provocare una tempesta geomagnetica con impatti potenzialmente dannosi per la Terra» ha detto Stephen Volz, Assistant Administrator del Satellite and Information Service del NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). Nei prossimi anni DSCOVR sostituirà un altro veicolo spaziale dedicato a questi compiti, l’Advanced Composition Explorer (ACE) della NASA, giunto quasi al termine della sua vita operativa. Ma la sonda non terrà d’occhio solo la nostra stella. Due strumenti NASA che porta a bordo sono stati progettati per monitorare l’abbondanza dell’ozono e degli aerosol nell’atmosfera terrestre e le variazioni nel bilancio della radiazione del nostro pianeta, dato dalla differenza tra quella “entrante”, quasi interamente proveniente dal Sole, e quella “uscente”. Una informazione utile per capire con maggior precisione l’andamento del clima su scala globale.
di Marco Galliani (INAF)

La corona solare svelata

La missione PROBA2 dell’ESA ci regala informazioni nuove ed emozionanti sulla corona solare osservata nella banda degli ultravioletti estremi. I dati rivelano una struttura misteriosamente bella e tenue, che si estende fino a regioni straordinariamente lontane dal Sole. I video realizzati con le immagini catturate dallo strumento SWAP del Royal Observatory of Belgium, a bordo di PROBA2, hanno permesso di osservare inedite strutture filamentose nella regione in cui il vento solare viene accelerato. I risultati sono stati presentati ieri al Triennial Earth-Sun Summit, l’incontro tra la Divisione di Fisica Solare dell’American Astronomical Society e la sezione di Fisica Spaziale e Aeronomia dell’American Geophysical Union che si sta svolgendo in questi giorni a Indianapolis.
Le immagini negli ultravioletti estremi della corona dinamica del Sole, con le sue eruzioni e il reticolo luminoso di anelli magnetici, sono diventate familiari grazie a telescopi spaziali, come il Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) e il Solar Dynamics Observatory (SDO). Ma nuovi dati provenienti dal telescopio SWAP su PROBA2, un mini-satellite europeo lanciato nel novembre del 2009, rivelano una nuovi e sorprendenti comportamenti di questa regione. Se da un lato SWAP conferma la presenza degli anelli magnetici della bassa corona, le nuove osservazioni mostrano che al di sopra di queste strutture caratteristiche vi è una regione dominata da tenui strutture a filamenti che avvolgono gli anelli nella bassa della corona e si estendono verso l’esterno e nello spazio interplanetario.
Mentre sappiamo che la bassa corona è dominata da eventi dinamici come i brillamenti solari, che possono riscaldare il plasma circostante fino a decine di milioni di gradi, le nuove osservazioni provenienti da SWAP rivelano la presenza di una regione con un’evoluzione molto più lenta e stabile dove nasce la connessione tra il Sole stesso e la vento solare che riempie lo spazio interplanetario. Le osservazioni di SWAP rivelano strutture a forma di ventaglio sorprendentemente longeve, che si estendono fino ad altezze superiori a 700 mila chilometri sopra la superficie del Sole. Tali strutture, in alcuni casi, sono anche più grandi del Sole stesso. Capire quali processi fisici siano responsabili della formazione di queste strutture è la chiave per determinare la natura del complesso rapporto tra la corona e il vento solare.
«Nel corso degli ultimi anni, SWAP ha osservato un numero crescente di queste strutture a ventaglio che si estendono fino a un milione di chilometri dal Sole», ha detto Daniel Seaton, scienziato responsabile dello strumento SWAP presso il Royal Observatory of Belgium. «Queste strutture filamentose sono legate ad altre strutture che si osservano ad altezze ancora maggiori in immagini a luce bianca da coronografi o eclissi, ma sembrano comportarsi in modo molto diverso. A volte si ripiegano verso i poli solari e si avvolgono intorno agli intensi fasci di campo magnetico a cui si aggancia il plasma solare chiamati protuberanze».
Osservando i filmati in time-lapse dello strumento ad immagini SWAP, l’effetto è sorprendente, e rivela una corona vivace, estremamente diversa da ciò che i fisici solari hanno osservato fino ad ora.
Le nuove osservazioni potrebbero anche fornire indizi per svelare il comportamento del ciclo di attività magnetica del Sole, un ciclo della durata di 22 anni che negli ultimi anni ha smentito più volte le aspettative degli scienziati. In genere, il Sole passa attraverso un’evoluzione magnetica estremamente prevedibile: da tranquillo ad attivo, e di nuovo al punto di partenza. Il ciclo attuale è cresciuto lentamente e non è stato attivo quanto i cicli precedenti. Allo stesso tempo, gli emisferi nord e sud del Sole, che in genere evolvono in modo abbastanza indipendente, sono diventati quasi completamente disaccoppiati.
I filmati raccolti da SWAP che mostrano l’evoluzione a lungo termine della corona durante la fase di crescita del ciclo solare 24 rivelano chiari collegamenti sia con il numero di macchie solari, un indicatore chiave dell’attività solare, sia con l’attività discordante dei due emisferi. Stranamente, l’attività della bassa atmosfera solare è stata ampiamente dominata da un singolo emisfero, quello nord, la cui attività si è anche manifestata a grandi distanze dalla superficie solare. L’analisi delle strutture a ventaglio che dominano le osservazioni di SWAP ha rivelato alcuni dei motivi del loro aspetto, che è stato collegato all’aumento dell’attività solare negli ultimi cinque anni. L’analisi aiuta anche a spiegare perché questi filamento a volte scompaiono dalle osservazioni.
«Queste strutture coronali visibili nell’estremo ultravioletto sembrano radicarsi nelle regioni magnetiche a bassa latitudine, senza macchie solari, e tracciare le linee di campo magnetico aperte sovrapposte agli archi chiusi che collegano al polo solare. Appena emergono nuovi flussi di campo magnetico in prossimità dei punti di maggiore attività, le strutture filamentose si rompono», ha detto Anik De Groof, scienziata che lavora presso l’Agenzia Spaziale Europea e che ha condotto l’ultima analisi di queste osservazioni. «Il fatto che queste strutture appaiano soprattutto nell’emisfero settentrionale potrebbe essere correlato all’insolita inversione del campo magnetico polare avvenuta nel ciclo 24. Tuttavia, per poter arrivare ad una conclusione solida saranno necessari ulteriori dati e analisi sia da SWAP che da misure del campo magnetico».
Qualunque siano gli indizi che forniranno le nuove osservazioni sull’evoluzione di attività solare, per gli scienziati solleveranno tante domande quante ne risponderanno, e alle nuove domande si spera di poter rispondere con le prossime missioni spaziali dedicate al sole. La missione sorella di PROBA2, chiamata PROBA3, osserverà la regione più interna del corona solare in luce bianca con due sonde spaziali che viaggeranno in formazione per generare un’eclissi artificiale. Il Solar Orbiter, nel frattempo, lascerà del tutto l’orbita terrestre, si sposterà dell’eclittica verso latitudini solari più alte per osservare i poli del Sole da una distanza inferiore dell’orbita di Mercurio. Queste osservazioni permetteranno di rivelare la struttura magnetica della regione nella quale SWAP ha visto ancorarsi molte delle strutture a ventaglio.
di Elisa Nichelli (INAF)

Smentita la scoperta di materia oscura dal Sole

Una ricerca pubblicata sulla rivistaMonthly Notices of the Royal Astronomical Society smentisce il recente annuncio della scoperta degli assioni, particelle proposte come possibili candidati della materia oscura. La possibile scoperta era stata rilanciata lo scorso ottobre sulla stessa rivista dal gruppo guidato da George Fraser, dell’Università di Leicester, in seguito all’analisi dei dati satellite dell’Agenzia Spaziale Europea XMM-Newton, nei quali si rivelava un flusso anomalo di raggi X.
Il nuovo studio, condotto congiuntamente da due ricercatori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), si basa sulla revisione del calcolo del flusso di raggi X che XMM può realmente osservare, a partire dall’interpretazione di Fraser (scomparso lo scorso anno).
Nella spiegazione offerta da Fraser e collaboratori, gli assioni sarebbero prodotti nella regione centrale del Sole, dove hanno luogo le reazioni nucleari responsabili della sua luminosità e dove la temperatura è tale da ionizzare gli atomi: l’intenso campo elettrico associato alle cariche libere consentirebbe ad alcuni fotoni di trasformarsi in assioni. Diversamente da altre particelle candidate a spiegare la materia oscura, infatti, ci si aspetta che in presenza di intensi campi elettrici o magnetici gli assioni possano trasformarsi in fotoni di uguale energia e i fotoni in assioni. Gli assioni prodotti dal Sole, interagendo molto debolmente con la materia ordinaria e non essendo quindi assorbiti dagli strati più esterni, sarebbero così emessi in tutte le direzioni e riconvertiti in fotoni X all’interno del campo “geomagnetico” terrestre.
«La nostra critica si è appuntata sul fatto che Fraser e collaboratori abbiano sottovalutato l’enorme riduzione del flusso effettivamente osservabile da XMM rispetto a quello potenzialmente emesso dal Sole», ha commentato Fabrizio Tavecchio, ricercatore dell’Osservatorio Astronomico di Brera dell’INAF.
Il nuovo calcolo del flusso di raggi X ha consentito di ottenere esattamente quanto affermato da Fraser e collaboratori, ma soltanto ipotizzando che XMM osservi direttamente il Sole, un’ipotesi del tutto irreale perché l’osservazione diretta distruggerebbe i rivelatori del satellite.
«Purtroppo la conclusione è ineludibile: la scoperta effettuata da Fraser e collaboratori non è assolutamente spiegabile in termini di assioni», è il commento di Marco Roncadelli, ricercatore della sezione INFN di Pavia. «La sua interpretazione non fornisce alcuna evidenza dell’esistenza degli assioni e vanifica purtroppo la possibilità che sembrava offrire di scoprire la materia oscura fredda e comprenderne la natura».
di Francesca Scianitti (INAF)

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