Risolvi un mistero cosmico vecchio di 65 anni

Un allineamento cosmico e alcune esercitazioni effettuate sui veicoli spaziali hanno fornito una misurazione rivoluzionaria che aiuta a risolvere il mistero cosmico, vecchio di 65 anni, del perché l’atmosfera del sole si sta riscaldando.

L’atmosfera del sole è chiamata corona. È costituito da un gas elettricamente carico noto come plasma La sua temperatura è di circa un milione di gradi Centigrado.

La sua temperatura è sempre un mistero perché la temperatura superficiale del Sole è solo di circa 6.000 gradi Celsius. La corona dovrebbe essere più fredda della superficie perché l’energia del Sole proviene dalla fornace nucleare al suo centro, e le cose si raffreddano naturalmente quanto più ci si allontana dalla fonte di calore. Tuttavia, la corona è più di 150 volte più calda della superficie.

Deve esserci un altro modo per trasferire energia al plasma, ma quale?

Teorie e sfide dell’indagine

Da tempo si sospettava che la turbolenza nell’atmosfera solare potesse portare ad un riscaldamento significativo del plasma della corona. Ma quando si tratta di studiare questo fenomeno, i fisici solari si trovano ad affrontare un problema pratico: è impossibile raccogliere tutti i dati di cui hanno bisogno con un solo veicolo spaziale.

Esistono due modi per esplorare il Sole: il telerilevamento e le misurazioni in situ. Nel telerilevamento, la navicella spaziale viene posizionata a una certa distanza e vengono utilizzate telecamere per osservare il sole e la sua atmosfera a diverse lunghezze d’onda. Per le misurazioni in situ, la navicella spaziale vola attraverso l’area che vuole esplorare ed effettua misurazioni di particelle e campi magnetici in quella parte di spazio.

Entrambi gli approcci hanno i loro vantaggi. Il telerilevamento mostra risultati su larga scala ma non i dettagli dei processi che avvengono nel plasma. Nel frattempo, le misurazioni in situ forniscono informazioni molto specifiche sui processi su piccola scala nel plasma, ma non mostrano come ciò influisca su larga scala.

Doppia indagine su veicoli spaziali

Per avere il quadro completo, sono necessarie due navicelle spaziali. E questo è esattamente ciò che gli eliofisici hanno attualmente sotto forma della navicella spaziale Solar Orbiter pilotata dall’Agenzia spaziale europea e dalla Parker Solar Probe della NASA. Solar Orbiter è progettato per avvicinarsi il più possibile al Sole ed eseguire comunque rilevamenti remoti e misurazioni in situ. La Parker Solar Probe ignora in gran parte il telerilevamento del Sole stesso per avvicinarsi ed effettuare le misurazioni in situ.

Ma per sfruttare appieno il loro approccio complementare, la Parker Solar Probe deve trovarsi nel campo visivo di uno degli strumenti del Solar Orbiter. In questo modo Solar Orbiter ha potuto registrare le conseguenze su larga scala di ciò che la Parker Solar Probe stava misurando in situ.

Il Solar Orbiter dell’ESA è uno dei due veicoli spaziali integrati che studiano il Sole a distanza ravvicinata: si aggiunge al Parker Solar Probe della NASA, che era già coinvolto nella sua missione. Fonte: Solar Orbiter: ESA/ATG medialab; Sonda solare Parker: NASA/Johns Hopkins APL

Coordinazione astrofisica

Daniele Telloni, ricercatore presso l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) presso l’Osservatorio Astrofisico di Torino, fa parte del team dietro lo strumento Metis del 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, quindi Daniele ha iniziato a cercare gli orari in cui la Parker Solar Probe si sarebbe allineata.

Si è scoperto che il 1° giugno 2022 i due veicoli spaziali si troveranno approssimativamente nella configurazione orbitale corretta. Essenzialmente, il Solar Orbiter guarderà il Sole, e la Parker Solar Probe sarà appena di lato, drammaticamente vicina ma fuori dal campo visivo dello strumento METS.

Quando Daniele ha esaminato il problema, si è reso conto che tutto ciò che sarebbe servito per illuminare il Parker Solar Orbiter era un piccolo esercizio con il Solar Orbiter: una rotazione di 45 gradi e poi puntarlo leggermente lontano dal Sole.

Ma quando ogni manovra della missione spaziale è attentamente pianificata in anticipo, e quando i veicoli spaziali sono progettati per puntare solo in direzioni molto specifiche, specialmente quando si ha a che fare con lo spaventoso calore del Sole, non era ovvio che il team operativo della navicella avrebbe autorizzato tale manovra. . deviazione. Tuttavia, una volta che tutti ebbero chiaro il potenziale ritorno scientifico, la decisione fu un chiaro “sì”.

La missione Solar Orbiter dell’ESA incontrerà il Sole dall’interno dell’orbita di Mercurio nel suo punto di massimo avvicinamento. Fonte: medialab ESA/ATG

Note di hacking

Si è proceduto al rollio e allo sterzo offset; La sonda solare Parker entrò nel campo visivo e insieme la navicella spaziale produsse le prime misurazioni simultanee della composizione su larga scala della corona solare e delle proprietà microfisiche del plasma.

“Questo lavoro è il risultato del contributo di molte persone”, afferma Daniele, che ha guidato l’analisi dei dataset. Lavorando insieme, sono stati in grado di effettuare la prima stima congiunta, osservativa e in situ, del tasso di riscaldamento coronale.

“La possibilità di utilizzare sia il Solar Orbiter che la Parker Solar Probe ha aperto una dimensione completamente nuova in questa ricerca”, afferma Gary Zank, dell’Università dell’Alabama a Huntsville, negli Stati Uniti, e coautore dell’articolo risultante.

Confrontando la velocità appena misurata con le previsioni teoriche fatte dai fisici solari nel corso degli anni, Daniel ha dimostrato che i fisici solari avevano più o meno ragione nell’identificare la turbolenza come mezzo di trasferimento di energia.

Rappresentazione artistica della navicella spaziale Parker Solar Probe in avvicinamento al Sole. Credito immagine: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

Il modo specifico in cui il disturbo si manifesta non è diverso da ciò che accade quando mescoli la tua tazza di caffè mattutina. Stimolando i movimenti casuali di un fluido, sia esso gassoso o liquido, l’energia viene trasferita su scale sempre più piccole, culminando nella conversione dell’energia in calore. Nel caso della corona solare, anche il fluido è magnetizzato e quindi è disponibile anche l’energia magnetica immagazzinata per essere convertita in calore.

Un tale trasferimento di energia magnetica ed energia cinetica da scale più grandi a scale più piccole è l’essenza della turbolenza. Su scala più piccola, consente alle fluttuazioni di interagire finalmente con le singole particelle, principalmente protoni, e di riscaldarle.

Conclusioni e implicazioni

È necessario molto più lavoro prima di poter dire che il problema del riscaldamento solare è stato risolto, ma ora, grazie al lavoro di Daniel, i fisici solari sono stati in grado di effettuare la prima misurazione di questo processo.

“Si tratta di una novità scientifica. Questo lavoro rappresenta un importante passo avanti nella risoluzione del problema del riscaldamento coronale”, afferma Daniel Müller, scienziato del progetto.

Solar Orbiter è una missione spaziale di cooperazione internazionale tra ESA ed ESA NASAgestito dall’Agenzia spaziale europea.