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Solar Orbiter risolve il mistero della deviazione magnetica

Scienza ed esplorazione

09.12.2022
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Utilizzando i dati del suo precedente sorvolo del Sole più vicino, la navicella spaziale Solar Orbiter dell’ESA/NASA ha trovato indizi convincenti sull’origine delle serpentine magnetiche e suggerimenti su come il loro meccanismo fisico di formazione potrebbe aiutare ad accelerare il vento solare.

Solar Orbiter ha reso la prima osservazione di telerilevamento coerente con un fenomeno magnetico chiamato solar switchback: improvvise e grandi deviazioni nel campo magnetico del vento solare. La nuova osservazione fornisce una panoramica completa della struttura e in questo caso conferma che ha un carattere a forma di S come previsto. Inoltre, la prospettiva globale fornita dai dati di Solar Orbiter mostra che questi campi magnetici in rapida evoluzione possono originarsi vicino alla superficie del Sole.

Sebbene un certo numero di veicoli spaziali abbia già attraversato queste regioni enigmatiche, i dati in situ consentono solo una misurazione in un singolo punto e momento. Dalle proprietà del plasma e del campo magnetico misurate in un punto, si devono quindi trarre conclusioni sulla struttura e la forma del ritorno.

Quando le sonde spaziali tedesco-americane Helios 1 e 2 volarono vicino al Sole a metà degli anni ’70, entrambe le sonde registrarono improvvise inversioni del campo magnetico solare. Queste misteriose inversioni erano sempre brusche e sempre temporanee, durando da pochi secondi a diverse ore prima che il campo magnetico invertisse la sua direzione originale.

Queste strutture magnetiche sono state studiate anche a distanze molto maggiori dal Sole dalla navicella Ulisse alla fine degli anni ’90. Invece di essere un terzo del raggio orbitale della Terra dal Sole, che è il punto in cui le missioni Helios si sono avvicinate di più, Ulisse ha operato principalmente al di fuori dell’orbita terrestre.

Come si verifica una commutazione solare

Il loro numero è aumentato notevolmente con l’arrivo della sonda solare Parker della NASA nel 2018. Ciò indicava chiaramente che le improvvise inversioni del campo magnetico sono più numerose vicino al Sole e portava a supporre che fossero causate da pieghe a forma di S nel campo magnetico. Questo comportamento sconcertante valse al fenomeno il nome di serpentine. Sono state suggerite diverse idee su come ciò potrebbe verificarsi.

Il 25 marzo 2022, Solar Orbiter era a solo un giorno di distanza da un passaggio ravvicinato del Sole – mettendolo in orbita attorno al pianeta Mercurio – e il suo strumento Metis stava raccogliendo dati. Metis blocca il bagliore della superficie del Sole e fotografa l’atmosfera esterna del Sole, nota come corona. Le particelle nella corona sono caricate elettricamente e seguono le linee del campo magnetico del sole nello spazio. Le stesse particelle caricate elettricamente sono chiamate plasma.

Registrazione di un solstizio

Intorno alle 20:39 UT, Metis ha acquisito un’immagine della corona solare che ha rivelato una distorsione a forma di S nel plasma coronale. Sembrava sospettosamente un solstizio a Daniele Telloni dell’Istituto Nazionale di Astrofisica – Osservatorio Astrofisico di Torino, Italia.

Confrontando l’immagine Metis catturata nella luce visibile con un’immagine simultanea catturata dallo strumento Extreme Ultraviolet Imager (EUI) di Solar Orbiter, ha visto che il candidato si trovava su una regione attiva catalogata come AR 12972 . Le regioni attive sono associate alle macchie solari e all’attività magnetica. Un’ulteriore analisi dei dati Metis ha mostrato che la velocità del plasma su questa regione era molto lenta, come ci si aspetterebbe da una regione attiva che deve ancora rilasciare la sua energia immagazzinata.

Daniele ha subito pensato che questo fosse simile a un meccanismo di generazione a serpentina proposto dal Prof. Gary Zank, Università dell’Alabama a Huntsville, USA. La teoria ha esaminato il modo in cui le diverse regioni magnetiche vicino alla superficie del Sole interagiscono tra loro.

Creazione di un ritorno solare

Vicino al Sole e soprattutto nelle regioni attive, ci sono linee di campo magnetico aperte e chiuse. Le linee chiuse sono anelli magnetici che si gonfiano nell’atmosfera del Sole prima di avvolgersi e scomparire nuovamente nel Sole. Al di sopra di queste linee di campo, molto poco plasma può fuoriuscire nello spazio, quindi le velocità del vento solare tendono ad essere lente qui. Le linee di campo aperto sono invertite, emanano dal Sole e si collegano al campo magnetico interplanetario del Sistema Solare. Sono autostrade magnetiche lungo le quali il plasma è libero di fluire e generare il veloce vento solare.

Daniele e Gary hanno dimostrato che i tornanti si verificano quando c’è un’interazione tra una regione di linee di campo aperto e una regione di linee di campo chiuse. Quando le linee di campo si affollano, possono riconnettersi in configurazioni più stabili. Proprio come lo schiocco di una frusta, questo rilascia energia e innesca un disturbo a forma di S che si propaga nello spazio, che un veicolo spaziale di passaggio registrerebbe come un’inversione a U.

Secondo Gary Zank, che ha proposto una delle teorie sull’origine delle serpentine, “Quasi immediatamente, la prima immagine di Metis che Daniele mi ha mostrato ha suggerito i cartoni che avevamo disegnato mentre sviluppavamo il modello matematico di una serpentina. Naturalmente, la prima immagine era solo un’istantanea e abbiamo dovuto smorzare il nostro entusiasmo fino a quando non abbiamo sfruttato l’eccellente copertura di Metis per estrarre informazioni temporali ed eseguire un’analisi spettrale più dettagliata delle immagini stesse. I risultati si sono rivelati assolutamente spettacolari!”

Insieme a un team di altri ricercatori, hanno costruito un modello computerizzato del comportamento e hanno scoperto che i loro risultati avevano una sorprendente somiglianza con l’immagine di Metis, soprattutto dopo aver incluso i calcoli su come la struttura si allunga verso l’esterno mentre si propaga attraverso la corona solare.

“Direi che questa prima immagine di un’inversione magnetica nella corona solare ha rivelato il mistero della sua origine”, dice Daniele, le cui scoperte sono state pubblicate in un articolo su The Astrophysical Journal Letters.

Risolto il puzzle del ritorno solare

Comprendendo le serpentine, i fisici solari potrebbero anche fare un passo verso la comprensione dei dettagli di come il vento solare viene accelerato e riscaldato lontano dal sole. Perché quando i veicoli spaziali volano attraverso le serpentine, spesso registrano un’accelerazione locale del vento solare.

“Il passo successivo è cercare di collegare statisticamente le serpentine osservate in loco alle loro regioni di origine sul Sole”, afferma Daniele. In altre parole, fai volare un veicolo spaziale attraverso l’inversione magnetica e guarda cosa è successo sulla superficie del sole. Questo è esattamente il tipo di scienza del collegamento per cui è stato progettato Solar Orbiter, ma ciò non significa necessariamente che Solar Orbiter debba volare attraverso la Serpentine. Potrebbe essere un’altra navicella spaziale come Parker Solar Probe. Finché i dati in situ ei dati del telerilevamento coincidono, Daniele può eseguire la correlazione.

“Questo è esattamente ciò che speravamo per Solar Orbiter”, afferma Daniel Müller, scienziato del progetto ESA per Solar Orbiter. “Con ogni orbita, otteniamo più dati dalla nostra suite di dieci strumenti. Sulla base di risultati come questi, perfezioneremo le osservazioni pianificate per il prossimo incontro solare di Solar Orbiter per capire come il Sole si connette al più ampio ambiente magnetico del Sistema Solare. Questo è stato il primo sorvolo ravvicinato del Sole in assoluto da parte di Solar Orbiter, quindi ci aspettiamo molti risultati più entusiasmanti”.

Il prossimo sorvolo ravvicinato del Sole di Solar Orbiter, sempre all’interno dell’orbita di Mercurio a una distanza di 0,29 volte la distanza Terra-Sole, è il 13 ottobre. All’inizio di questo mese, il 4 settembre, Solar Orbiter ha effettuato un sorvolo gravitazionale di Venere per regolare la sua orbita attorno al Sole. I successivi sorvoli di Venere inizieranno ad aumentare l’inclinazione dell’orbita della navicella spaziale per accedere alle regioni del Sole a latitudini più elevate, più polari.

Note per i redattori

L’osservazione di un ritorno magnetico nella corona solare di D. Telloni et al. è stato pubblicato su The Astrophysical Journal Letters. DOI 10.3847/2041-8213/ac8104

I risultati della ricerca saranno presentati questa settimana all’8° seminario Solar Orbiter a Belfast, nell’Irlanda del Nord.

Per ulteriori informazioni, si prega di contattare:
Relazioni con i media dell’ESA
media@esa.int

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