L’IDROGENO NEUTRO INNESCA L’INSTABILITÀ DI RAYLEIGH-TAYLOR

La turbolenza eliosferica nelle “lava lamp”

Un gruppo di astrofisici guidato dalla Boston University ha scoperto che le particelle di idrogeno neutro che collidono con l'eliosfera potrebbero innescare un fenomeno noto come instabilità di Rayleigh-Taylor che porterebbe alla strana forma dell’eliosfera stessa, simile a quella di un croissant, prevista dai modelli sviluppati dagli autori. Tutti i dettagli su ApJ

     10/12/2021
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È dunque così che appare l’eliosfera? La ricerca condotta dalla Boston University lo suggerisce. La dimensione e la forma del “campo di forza” magnetico che protegge il Sistema solare dai raggi cosmici è stata a lungo dibattuta dagli astrofisici. Nell’immagine, la forma gialla è l’eliopausa, il confine tra l’eliosfera e il mezzo interstellare. Il Sole si trova al centro di questa bolla, troppo piccolo per essere visibile. Le linee grigie rappresentano il campo magnetico solare, mentre quelle rosse il campo magnetico interstellare. Crediti: Merav Opher, et. al

Qual è la struttura generale dell’eliosfera? Come si evolvono le sue particelle ionizzate e come influenzano i processi che accadono all’interno? In che modo l’eliosfera interagisce e influenza il mezzo interstellare, la materia e la radiazione tra le stelle? E come vengono filtrati o trasportati i raggi cosmici attraverso l’eliosfera? Un team di astrofisici guidato da Merav Opher della Boston University, cercando di dare una risposta a queste domande, ha fatto una scoperta rivoluzionaria sulle forze che modellano l’eliosfera, la “bolla” creata dal vento solare che protegge la Terra dalle radiazioni interstellari pericolose.

L’eliosfera si estende ben oltre la fascia di Kuiper ma nessuno ne conosce veramente la forma e le dimensioni, anche se recentemente – utilizzando i dati raccolti dal satellite Ibex della Nasa – si è provato a mapparne i confini. «La bolla che ci circonda, generata dal Sole, offre protezione dai raggi cosmici galattici e la sua forma può influenzare il modo in cui tali raggi entrano nell’eliosfera», afferma James Drake, astrofisico dell’Università del Maryland che collabora con la Opher. «Ci sono molte teorie, ma ovviamente il modo in cui i raggi cosmici galattici riescono a entrare può essere influenzato dalla struttura dell’eliosfera: ha delle grinze, delle pieghe o cose del genere?».

Il team della Opher ha realizzato alcune simulazioni dell’eliosfera basate su modelli costruiti su dati osservativi e sull’astrofisica teorica. Alla Boston University, presso il Center for Space Physics, la Opher guida un Nasa Drive Science Center (dove drive è l’acronimo di Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate) che ha ricevuto un cospicuo finanziamento direttamente dalla Nasa. Il team – chiamato Shield (Solar-wind with Hydrogen Ion Exchange and Large-scale Dynamics) – è composto da esperti provenienti da altre 11 università e istituti di ricerca e sviluppa modelli predittivi dell’eliosfera, combinando teoria, simulazioni e osservazioni.

In un articolo pubblicato recentemente su Astrophysical Journal ,gli autori rivelano che le particelle di idrogeno neutro che fluiscono dall’esterno del Sistema solare, molto probabilmente, svolgono un ruolo cruciale nel plasmare la forma dell’eliosfera.

Già in passato il team della Opher si era occupato della forma dell’eliosfera e del motivo per cui i getti eliosferici – colonne di energia e materia simili ad altri tipi di getti cosmici presenti nell’universo – diventano instabili. Analogamente, i modelli dello Shield prevedono che l’eliosfera, viaggiando in tandem con il Sole e circondando il Sistema solare, non sia stabile. Diversi modelli sviluppati da altri astrofisici tendono a raffigurare l’eliosfera con una forma simile a quella di una cometa, con una lunga coda che si estende migliaia di volte la distanza della Terra dal Sole, ma il modello della Opher suggerisce una cosa diversa, ossia che l’eliosfera abbia più una forma simile a quella di un croissant.

Il motivo sarebbe da ricercarsi nella presenza di particelle di idrogeno neutro. Sfruttando una simulazione per testare l’effetto di queste particelle neutre sulla forma dell’eliosfera, la ricercatrice ha notato che eliminandole dalla ricetta, i getti provenienti dal Sole diventano super stabili. Quando invece le considera come ingredienti della ricetta, le strutture iniziano a piegarsi, l’asse centrale inizia a muoversi, come se qualcosa all’interno dei getti diventasse molto instabile. Questa instabilità è simile a quella che teoricamente potrebbe causare disturbi ai venti solari e ai getti emessi dal Sole, e renderebbe la forma dell’eliosfera simile a quella di un croissant. Il modello della Opher suggerisce che la presenza delle particelle neutre che colpiscono il Sistema solare renderebbe impossibile per l’eliosfera fluire uniformemente. E una cosa è certa: le particelle neutre si stanno decisamente facendo strada nello spazio.

Nebulosa Testa di Cavallo. Crediti: Nasa/Esa/Hubble Heritage Team

Secondo Drake, il modello della Opher «offre la prima spiegazione chiara del motivo per cui la forma dell’eliosfera si frammenta nelle aree settentrionale e meridionale, il che potrebbe influire sulla nostra comprensione di come i raggi cosmici galattici arrivano sulla Terra e nel vicino ambiente terrestre». Questo potrebbe influenzare la minaccia che le radiazioni rappresentano per la vita sulla Terra, per gli astronauti nello spazio e per i futuri pionieri che tenteranno di viaggiare fino a Marte.

«L’universo non è tranquillo», sottolinea la Opher. «Il nostro modello non cerca di eliminare il caos, il che ci ha permesso di individuare la causa (dell’instabilità dell’eliosfera, ndr): le particelle di idrogeno neutro».

Nello specifico, la presenza delle particelle neutre che collidono con l’eliosfera innesca un fenomeno ben noto ai fisici, chiamato instabilità di Rayleigh-Taylor, che si verifica quando due materiali di diversa densità entrano in collisione, con il materiale più leggero che spinge contro il materiale più pesante. È ciò che accade quando l’olio è sospeso sopra l’acqua e quando fluidi o materiali più pesanti sono sospesi sopra fluidi più leggeri: la gravità dà origine ad alcune forme irregolari. Nel caso dei getti cosmici, la resistenza tra le particelle di idrogeno neutro e gli ioni carichi crea un effetto simile alla gravità. Le “dita” viste nella famosa Nebulosa Testa di Cavallo, ad esempio, sono causate dall’instabilità di Rayleigh-Taylor. O, per rimanere con i piedi per terra, il processo è molto simile a quello che avviene all’interno delle famose lava lamp, che forse avete ancora nelle vostre case.

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