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Strano fenomeno sul sole ripreso per la prima volta da Solar Orbiter: mistero risolto

Ingrandimento di un ritorno solare

Un fenomeno magnetico noto come tornanti solari è stato ripreso per la prima volta dalla navicella spaziale Solar Orbiter dell’ESA/NASA. L’immagine ingrandisce il ritorno (caratteristica blu-bianca che si estende a sinistra) come registrato dallo strumento Metis il 25 marzo 2022 nella corona solare. Il ritorno sembra essere associato alla regione attiva vista nell’immagine centrale di Extreme Ultraviolet Imager (a destra). Credito immagine: ESA e NASA/Solar Orbiter/EUI e Metis Teams e D. Telloni et al. (2022)

Con nuovi dati dal suo sorvolo precedente del Sole più vicino, ESA/[{” attribute=””>NASA Solar Orbiter spacecraft has found compelling clues as to the origin of solar magnetic switchbacks. The discovery points toward how their physical formation mechanism might help accelerate the solar wind.

Solar Orbiter has made the first-ever remote sensing observation consistent with a magnetic phenomenon called a solar switchback – sudden and large deflections of the solar wind’s magnetic field. The new observation provides a full view of the structure, confirming it has an S-shaped character, as predicted. Moreover, the global perspective provided by the Solar Orbiter data indicates that these rapidly changing magnetic fields can have their origin near the surface of the Sun.

Un primo piano dei dati di Solar Orbiter Metis convertiti in un filmato mostra l’evoluzione della Serpentine. La sequenza rappresenta circa 33 minuti di dati registrati il ​​25 marzo 2022. La struttura luminosa si sta formando mentre si diffonde verso l’esterno dal Sole. Quando raggiunge il suo pieno sviluppo, si ripiega su se stesso e assume la forma ad S distorta caratteristica di un ritorno magnetico. La struttura si sta espandendo a una velocità di 80 km/s, ma l’intera struttura non si sta muovendo a quella velocità. Invece, si allunga e si distorce. Questa è la prima volta che si osserva un ritorno magnetico remoto. Tutti gli altri rilevamenti si sono verificati mentre la navicella spaziale volava attraverso queste regioni magnetiche disturbate. Credito: ESA e NASA/Solar Orbiter/Metis Teams; D.Telli et al. (2022)

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. Di conseguenza, è necessario trarre conclusioni sulla struttura e la forma del ritorno[{” attribute=””>plasma and magnetic field properties measured at just one point.

When the German-US Helios 1 and 2 spacecraft flew close to the Sun in the mid-1970s, both probes recorded sudden reversals of the Sun’s magnetic field. These mysterious reversals were always abrupt and always temporary. They only lasted from a few seconds to a number of hours before the magnetic field switched back to its original direction.

These magnetic structures were also probed at much larger distances from the Sun by the Ulysses spacecraft in the late 1990s. Instead of a third of the Earth’s orbital radius from the Sun, where the Helios missions made their closest pass, Ulysses operated mostly beyond the Earth’s orbit.

How Solar Switchback Is Formed

How a solar switchback is formed infographic. Solar Orbiter has made the first ever remote sensing observation of a magnetic phenomenon called a solar ‘switchback’, proving their origin in the solar surface and pointing to a mechanism that might help accelerate the solar wind. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI & Metis Teams and D. Telloni et al. (2022); Zank et al. (2020)

Their number rose dramatically with the arrival of NASA’s Parker Solar Probe in 2018. This clearly indicated that the sudden magnetic field reversals are more numerous close to the Sun, and led to the suggestion that they were caused by S-shaped kinks in the magnetic field. This puzzling behavior earned the phenomenon the name of switchbacks. A number of ideas were proposed as to how these might form.

On March 25, 2022, Solar Orbiter was just a day away from a close pass of the Sun – bringing it within the orbit of planet Mercury – and its Metis instrument was taking data. Metis blocks out the bright glare of light from the Sun’s surface and takes pictures of the Sun’s outer atmosphere, known as the corona. The particles in the corona are electrically charged and follow the Sun’s magnetic field lines out into space. The electrically charged particles themselves are called a plasma.

Capturing a Solar Switchback

The Sun as seen by the ESA/NASA Solar Orbiter spacecraft on March 25, 2022, one day before its closest approach of about 0.32 au, which brought it inside the orbit of planet Mercury. The central image was taken by the Extreme Ultraviolet Imager (EUI) instrument. The outer image was taken by the coronagraph Metis, an instrument that blocks out the bright light of the Sun’s surface in order to see the Sun’s faint outer atmosphere, known as the corona. The Metis image has been processed to bring out structures in the corona. This revealed the switchback (the prominent white/light blue feature at the roughly 8 o’clock position in the lower left). It appears to trace back to the active region on the surface of the Sun, where loops of magnetism have broken through the Sun’s surface. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI & Metis Teams and D. Telloni et al. (2022)

At around 20:39 UT, Metis recorded an image of the solar corona that showed a distorted S-shaped kink in the coronal plasma. To Daniele Telloni, National Institute for Astrophysics – Astrophysical Observatory of Torino, Italy, it looked suspiciously like a solar switchback.

Comparing the Metis image, which had been taken in visible light, with a concurrent image taken by Solar Orbiter’s Extreme Ultraviolet Imager (EUI) instrument, he saw that the candidate switchback was taking place above an active region cataloged as AR 12972. Active regions are associated with sunspots and magnetic activity. Further analysis of the Metis data showed that the speed of the plasma above this region was very slow, as would be expected from an active region that has yet to release its stored energy.

Daniele instantly thought this resembled a generating mechanism for the switchbacks proposed by Prof. Gary Zank, from the University of Alabama in Huntsville, USA. The theory looked at the way different magnetic regions near the surface of the Sun interact with each other.

Il Solar Orbiter dell’ESA ha risolto il mistero di un fenomeno magnetico nel vento solare. Ha catturato la prima immagine in assoluto di un “ritorno” nella corona solare, confermando la prevista forma a “S”. Un ritorno è definito da rapidi lanci nella direzione del campo magnetico. Il ritorno osservato è associato a una regione attiva associata alle macchie solari e all’attività magnetica, dove c’è un’interazione tra linee di campo magnetico aperte e chiuse. L’interazione rilascia energia e invia la perturbazione a forma di S nello spazio. I nuovi dati suggeriscono che le serpentine potrebbero formarsi vicino alla superficie del Sole e potrebbero essere importanti per comprendere l’accelerazione e il riscaldamento del vento solare. Credito fotografico: ESA

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.

Creazione di un ritorno solare

L’osservazione di Meti del ritorno è coerente con il solido meccanismo teorico per la produzione di tornanti magnetici solari proposto dal Prof. Gary Zank nel 2020. L’osservazione più importante è stata che il ritorno potrebbe provenire dall’alto di una regione attiva dal sole. Questa sequenza mostra la catena di eventi che i ricercatori ritengono abbia luogo. (a) Le regioni attive sul Sole possono avere linee di campo magnetico aperte e chiuse. Le linee chiuse si gonfiano nell’atmosfera del Sole prima di curvarsi di nuovo nel Sole. Le linee di campo aperto si collegano al campo magnetico interplanetario del sistema solare. (b) Quando un dominio magnetico aperto interagisce con un dominio chiuso, le linee del campo magnetico possono ricongiungersi, creando una linea di campo approssimativamente a forma di S e creando un’esplosione di energia. (c) Quando la linea di campo risponde alla riconnessione e al rilascio di energia, viene impostato un nodo che si propaga verso l’esterno. Questa è la via del ritorno. Un simile ritorno viene inviato anche nella direzione opposta, lungo la linea del campo e verso il sole. Credito fotografico: Zank et al. (2020)

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 (vedi immagine sopra). . 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 ritorno magnetico nella corona solare ha svelato il mistero della sua origine”, dice Daniele, le cui scoperte sono state pubblicate in un articolo su Le lettere del diario astrofisico.

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 di gravità assistita[{” attribute=””>Venus to adjust its orbit around the Sun; subsequent Venus flybys will start raising the inclination of the spacecraft’s orbit to access higher latitude – more polar – regions of the Sun.

Reference: “Observation of a Magnetic Switchback in the Solar Corona” by Daniele Telloni, Gary P. Zank, Marco Stangalini, Cooper Downs, Haoming Liang, Masaru Nakanotani, Vincenzo Andretta, Ester Antonucci, Luca Sorriso-Valvo, Laxman Adhikari, Lingling Zhao, Raffaele Marino, Roberto Susino, Catia Grimani, Michele Fabi, Raffaella D’Amicis, Denise Perrone, Roberto Bruno, Francesco Carbone, Salvatore Mancuso, Marco Romoli, Vania Da Deppo, Silvano Fineschi, Petr Heinzel, John D. Moses, Giampiero Naletto, Gianalfredo Nicolini, Daniele Spadaro, Luca Teriaca, Federica Frassati, Giovanna Jerse, Federico Landini, Maurizio Pancrazzi, Giuliana Russano, Clementina Sasso, Ruggero Biondo, Aleksandr Burtovoi, Giuseppe E. Capuano, Chiara Casini, Marta Casti, Paolo Chioetto, Yara De Leo, Marina Giarrusso, Alessandro Liberatore, David Berghmans, Frédéric Auchère, Regina Aznar Cuadrado, Lakshmi P. Chitta, Louise Harra, Emil Kraaikamp, David M. Long, Sudip Mandal, Susanna Parenti, Gabriel Pelouze, Hardi Peter, Luciano Rodriguez, Udo Schühle, Conrad Schwanitz, Phil J. Smith, Cis Verbeeck and Andrei N. Zhukov, 12 Septmeber 2022, The Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac8104

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