NOTHING LIKE THE SUN

Centoventotto anni di Sole per Theodosios

Un team di fisici solari, guidati da Theodosios Chatzistergos e Ilaria Ermolli dell’Inaf di Roma, ha studiato 290mila immagini della nostra stella raccolte da 43 spettroeliografi dal 1892 al 2019. I risultati, raccolti in una trilogia il cui ultimo articolo sarà pubblicato a giorni su Astronomy & Astrophysics, raccontano oltre un secolo di storia del Sole visto attraverso la riga d’assorbimento Ca II K

     05/05/2020
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Edvard Munch, The Sun, 1911 (olio su tela, University of Oslo). Fonte: Wikimedia Commons

Auggie Wren, il protagonista del racconto di Paul Auster dal quale è tratto il film Smoke, per 12 anni, ogni mattina alle 7 in punto, si piazza all’angolo fra Atlantic Avenue e Clinton Street – siamo a New York – e scatta una fotografia a colori. Una soltanto, una ogni mattina. Sempre la stessa, identica, inquadratura. Mettendo così insieme l’archivio di oltre quattromila foto che mostra con entusiasmo allo scrittore.

Qualcosa del genere è accaduto anche al fisico solare Theodosios Chatzistergos. Nato sull’isola di Kos, in Grecia, dove ha frequentato il liceo – «e la mia prima lezione di astronomia», dice a Media Inaf – Chatzistergos si è laureato in fisica all’Università di Atene. Poi master in astrofisica alla Queen Mary University di Londra, PhD al Max Planck di Gottinga e infine l’approdo all’Inaf di Roma – dove lo abbiamo raggiunto – a studiare il Sole. «Era il miglior posto dove farlo, per le specifiche attività condotte da molti anni nel contesto dello studio della variabilità del Sole, le osservazioni effettuate alla riga Ca II K e ad altre bande spettrali, la conservazione e lo studio di dati storici e moderni della nostra stella».

Qualcosa del genere di quel che ha fatto Auggie Wren è accaduto anche Chatzistergos, dicevamo. Nel suo caso, le foto sono più di duecentonovantamila, gli anni sono 128 – dal 1892 al 2019 – e a scattarle non è stata una macchina fotografica bensì 42 (più uno) spettroeliografi. Montati su altrettanti telescopi in 33 osservatori del mondo: quelli di Arcetri, Big Bear, Catania, Coimbra, Kodaikanal, McMath-Hulbert, Meudon, Mitaka, Mt Wilson, San Fernando, Teide e molti altri – ai quali si aggiunge un telescopio moderno, il Precision Solar Photometric Telescope dell’Inaf di Roma. Ma anche per Chatzistergos, come nel racconto di Auster, il soggetto è uno soltanto: il Sole. La “storia” è raccontata in una trilogia scientifica firmata insieme alla collega Ilaria Ermolli e ad altri fisici solari pubblicata – o in corso di pubblicazione, nel caso del paper più recente – su Astronomy & Astrophysics.

Theodosios Chatzistergos, fisico solare, ricercatore all’Osservatorio astronomico dell’Inaf di Roma

Che emozione si prova a vedere il Sole com’era in una precisa giornata di fine Ottocento?

«Direi stupore e soggezione. Si tratta dei primi tentativi di osservare e registrare immagini della cromosfera, una regione estremamente complessa e dinamica dell’atmosfera del Sole, che fino a quel momento era stata osservata in proiezione al bordo solare. Erano inoltre trascorsi circa 70 anni dalla prima fotografia, ma la tecnica fotografica non era ancora sviluppata in modo adeguato. Possiamo quindi immaginare la grande eccitazione e la grande capacità degli studiosi che riuscirono a effettuare le prime osservazioni fotografiche nel 1892».

Duecentonovantamila foto del Sole… le ha guardate tutte una a una, personalmente?

«No, davvero! Abbiamo voluto sviluppare un metodo che ci permettesse di analizzare in modo automatico e accurato le molte immagini archiviate in vari osservatori nel mondo. Per raggiungere il nostro obiettivo abbiamo però dovuto analizzare molte osservazioni estratte dai vari archivi esistenti, per comprenderne tutte le caratteristiche. Inoltre, abbiamo prodotto e analizzato anche immagini sintetiche che riproducevano le osservazioni archiviate, al fine di valutare l’accuratezza dei metodi sviluppati».

Non è un soggetto un po’ noioso, il disco del Sole, rispetto alla Brooklyn di Paul Auster? Voglio dire, cosa può mai cambiare, da una foto all’altra?

«Non è un oggetto noioso. Tutt’altro! Innanzitutto perché l’atmosfera del Sole ci appare diversa ogni volta che la osserviamo, per effetto dell’evoluzione delle regioni magnetiche che emergono sulla sua superficie e della rotazione della nostra stella. Inoltre, benché tutte le osservazioni analizzate riguardino la cromosfera, esse mostrano altezze leggermente diverse dell’atmosfera solare a seconda delle caratteristiche degli strumenti che le hanno prodotte. Osservazioni simultanee non sono quindi duplicati, ma descrivono porzioni diverse dell’atmosfera della stella. Per questo le immagini che abbiamo analizzato contengono tantissime informazioni del Sole negli ultimi 130 anni circa. Infine, queste osservazioni documentano anche la nostra storia recente. Ad esempio, le serie di osservazioni effettuate a Meudon e Arcetri sono interrotte dallo scoppio delle guerre mondiali».

Copertura annuale dei vari archivi di immagini Ca II K presi in esame nello studio (cliccare per ingrandire). Fonte: T. Chatzistergos et al. A&A 2020

Sono fotografie particolari, quelle che avete analizzato: ci mostrano il Sole in una sola frequenza, quella della “riga Ca II K”. Di cosa si tratta? E perché proprio a quella frequenza?

«La riga Ca II K è una riga di assorbimento dello spettro solare osservabile da terra, molto larga e profonda, che si origina in un’ampia regione dell’atmosfera solare tra l’alta fotosfera e l’alta cromosfera. Questa riga è molto sensibile alla presenza del campo magnetico emerso sulla superficie del Sole, quindi osservazioni alla riga Ca II K hanno la capacità di fornire informazioni sul campo magnetico della nostra stella. Il campo magnetico forma le regioni di facola, network e macchia, ben visibili nelle osservazioni alla riga Ca II K. Per tutte queste sue caratteristiche la Ca II K è tra le righe più osservate dello spettro solare e delle stelle in genere».

Cosa sono queste strutture, le facole e il network? E che relazione hanno con le macchie e con l’attività solare?

«Le facole (dette plage quando osservate alla riga Ca II K), il network e le macchie sono regioni caratterizzate da un’elevata concentrazione di campo magnetico. Le facole e il network sono regioni più brillanti delle regioni circostanti non magnetiche, mentre le macchie sono regioni più scure. Il numero di queste regioni, la loro area e qualsiasi quantità legata al campo magnetico del Sole, varia seguendo un ciclo di circa 11 anni, noto come ciclo solare. L’ampiezza e la fase della variazione dipendono dalla quantità considerata. Molto deve ancora essere compreso a riguardo. Infatti, benché il ciclo solare sia noto da molto tempo, non disponiamo ancora delle conoscenze necessarie per prevedere la sua evoluzione. Poiché l’attività solare è il motore dinamico dei processi che si verificano nell’eliosfera, che producono effetti anche a terra (oltre determinare la meteorologia e il clima spaziale), è importante conoscere e prevedere l’attività solare».

Esempi di immagini presenti negli archivi presi in esame. Fonte: T. Chatzistergos et al. A&A 2020

Perché vi interessa la dinamica di queste regioni al punto da studiarla lungo un secolo e oltre?         

«L’area delle facole e delle macchie varia nel corso dei vari cicli solari. Lunghe serie di osservazioni permettono di descrivere l’evoluzione di queste regioni nel tempo producendo dati necessari per molti studi, ad esempio quelli volti a migliorare la nostra comprensione della dinamo solare e dell’evoluzione dell’attività della nostra stella. Questi dati sono anche necessari per studiare gli effetti della variabilità solare sul clima terrestre. Il Sole è la principale fonte di energia per il nostro pianeta. Misure effettuate dallo spazio negli ultimi quarant’anni hanno mostrato che il flusso di energia che giunge sulla Terra dal Sole varia nel tempo, per effetto della comparsa ed evoluzione delle macchie e delle facole nell’atmosfera solare. Le osservazioni del Sole alla riga Ca II K permettono di ricostruire le variazioni dell’emissione radiativa del Sole nel passato, con accuratezza maggiore di quanto sia stato fatto finora con altri dati e modelli. Al momento stiamo lavorando a queste ricostruzioni.»

I risultati hanno mostrato sorprese? Voglio dire, il Sole si è sempre comportato come ci si aspetta – con il suo ciclo da 11 anni che si ripete – o dalla vostra analisi è emerso qualcosa di inatteso?

«L’attività magnetica della nostra stella varia seguendo cicli che hanno ampiezza e durata diversa nel tempo. Nel corso degli ultimi 130 anni si è osservato un progressivo aumento dell’attività solare fino al periodo di massimo del ciclo solare 19, nel 1958, e una scarsa attività negli ultimi tre cicli. Il nostro studio ha evidenziato alcune caratteristiche delle osservazioni archiviate che non erano note. Questo ha portato ad esempio a una rivalutazione dell’ampiezza del ciclo 19, con un massimo di attività inferiore a quanto considerato finora».

Erano già stati fatto studi analoghi, su un campione così ampio, o il vostro è il primo?

«Le osservazioni del Sole alla riga Ca II K sono state analizzate nell’ambito di vari studi, che tuttavia sono stati condotti con metodi meno accurati di quelli sviluppati nel nostro lavoro e con un numero notevolmente inferiore di dati. Il nostro studio ha permesso di creare la prima serie dell’area delle facole per il periodo 1892-2019, prodotta componendo con il cosiddetto metodo backbone risultati ottenuti dall’analisi di dati estratti da 43 archivi. Questa serie permetterà di avanzare le nostre conoscenze dell’attività solare e della variabilità dell’emissione della nostra stella. Abbiamo anche raccolto molte osservazioni che non erano mai stati analizzate, studiato e descritto caratteristiche dei dati archiviati nei vari osservatori che non erano documentati, producendo quindi informazioni che potranno essere molti utili anche per altri studi in futuro».


Per saperne di più:

  • Leggi il preprint dell’articolo (in uscita su A&A) “Analysis of full disc Ca II K spectroheliograms III. Plage area composite series covering 1892-2019”, di Theodosios Chatzistergos, Ilaria Ermolli, Natalie A. Krivova, Sami K. Solanki, Dipankar Banerjee, Teresa Barata, Marcel Belik, Ricardo Gafeira, Adriana Garcia, Yoichiro Hanaoka, Manjunath Hegde, Jan Klimeš, Viktor V. Korokhin, Ana Lourenço, Jean-Marie Malherbe, Gennady P. Marchenko, Nuno Peixinho, Takashi Sakurai e Andrey G. Tlatov