Il Sole ha un intenso e inquieto campo magnetico. Questo campo viene trascinato verso l’esterno dal vento solare, un flusso continuo di particelle (plasma) che si riversa dal Sole nello spazio. Le linee del campo magnetico possono attorcigliarsi, spezzarsi o ripiegarsi su se stesse. Nella corona solare, la parte più esterna dell’atmosfera della nostra stella, esistono particolari perturbazioni del campo magnetico chiamate switchback (letteralmente ‘tornanti’). Si tratta di rapide inversioni del campo magnetico che, come colpi di frusta, si propagano a grandissime distanze nello spazio interplanetario. Gli switchback sono stati osservati spesso vicino al Sole, ma il modo in cui si formano resta ancora una domanda aperta.
Ingrandimento di uno switchback (struttura blu-bianca che si estende verso sinistra), rilevato dallo strumento Metis di Solar Orbiter il 25 marzo 2022. Lo switchback appare collegato alla regione attiva ripresa dall’Extreme Ultraviolet Imager (a destra). Crediti: Esa & Nasa/Solar Orbiter/Eui & Metis Teams and D. Telloni et al. (2022)
La sonda Solar Orbiter, sviluppata dall’Agenzia spaziale europea (Esa) con partecipazione della Nasa, ha analizzato le particelle presenti all’interno di uno switchback e ne ha rintracciato l’origine fino alla superficie solare, svelando nuovi dettagli sul magnetismo della nostra stella. Lo studio che riporta il risultato è stato pubblicato questo mese su Nature Astronomy.
Già nel 2022 il coronografo Metis di Solar Orbiter aveva osservato uno switchback, confermando – in uno studio a guida Inaf – la sua forma a “S”. Ora la sonda ha aggiunto un altro pezzo a questo puzzle seguendo a ritroso uno switchback fino alla sua origine sul Sole. «Solar Orbiter ha attraversato uno switchback molto grande» dice Jesse Coburn di Cnrs/Lpp, Francia, primo autore dello studio. «Grazie a questo, siamo riusciti a campionare particelle osservate raramente che recano tracce rivelatrici della loro origine».
I ricercatori hanno usato lo strumento Solar Wind Analyzer (Swa) di Solar Orbiter per campionare il plasma che costituisce lo switchback. In quel momento la sonda si trovava circa a metà strada tra la Terra e il Sole. Il team di ricerca ha trovato un mix di particelle di ossigeno e carbonio che potevano essersi formate in un solo modo: all’interno degli anelli di campo magnetico sulla superficie del Sole.
«Esistono due principali teorie in competizione sulla formazione di uno switchback e, per estensione, del vento solare» spiega Coburn. «Lo specifico mix di particelle rivelato da Solar Orbiter è la prova schiacciante di un processo di formazione chiamato riconnessione di interscambio (interchange reconnection)».
Questo tipo di riconnessione avviene quando parti del Sole con diverse proprietà magnetiche interagiscono tra loro. Nell’atmosfera solare ci sono le cosiddette ‘regioni aperte’ e ‘regioni chiuse’, che vedete nella figura qui sotto riportate in alto a sinistra. Le regioni aperte hanno linee di campo che si estendono come autostrade, permettendo alla materia di sfrecciare lungo di esse verso lo spazio. Le regioni chiuse, invece, hanno linee che inizialmente si estendono verso lo spazio, poi curvano e tornano indietro verso il Sole, formando anelli chiusi. Quando una regione aperta interagisce con una chiusa, le linee di campo magnetico possono addensarsi, aprirsi di scatto e riconnettersi in modi diversi, permettendo al plasma, prima intrappolato in un anello, di sfuggire verso lo spazio.
Infografica sulla formazione di uno switchback solare. Al centro il Sole, ripreso nel 2022 da Solar Orbiter, con indicata una regione attiva sulla superficie ritenuta la sorgente dello switchback osservato dallo strumento Metis. A sinistra si mostra la formazione di uno switchback con l’interazione tra regioni con linee di campo magnetico aperte e chiuse. A destra è riportata la velocità del flusso nella corona. Lo switchback corrisponde a plasma con velocità molto bassa. Crediti: Work performed by Atg under contract for Esa, based on data from Esa & Nasa/Solar Orbiter/Eui & Metis Teams and D. Telloni et al. (2022); Zank et al. (2020)
Questo è ciò che è avvenuto all’interno di questo switchback, ma non è tutto. La teoria alternativa sulla formazione degli swithcback prevede processi correlati a onde e turbolenza, importanti per il riscaldamento e l’accelerazione del vento solare.
«Sorprendentemente, vediamo anche i segni di queste onde ma probabilmente solo dopo che lo switchback si dirige verso lo spazio» spiega Stephanie Yardley della Northumbria University, Regno Unito, co-autrice dello studio. «Una volta che lo switchback ha lasciato il Sole, le onde e la turbolenza prendono il sopravvento e regolano il suo movimento. Complessivamente, sembra che entrambi i processi – sia riconnessione di interscambio sia onde e turbolenza – siano coinvolti nel modo in cui lo swithcback si forma e si muove nello spazio. La nostra scoperta concilia le due parti, mostrando che operano semplicemente in fasi diverse del ciclo di vita di uno switchback».
Per realizzare questo studio, i ricercatori hanno usato le osservazioni in situ delle particelle dello switchback effettuate dallo strumento Swa di Solar Orbiter, hanno analizzato immagini del disco solare e hanno modellizzato i campi magnetici sia del Sole sia dello spazio circostante. Inoltre hanno ideato un nuovo modello per capire la provenienza del plasma. Il modello ha collegato le misure di Solar Orbiter con i dati del Solar Dynamics Observatory della Nasa rivelando la sorgente solare dello switchback con dettagli senza precedenti.
Il Sole ripreso da Solar Orbiter il 27 marzo 2022 a una lunghezza d’onda di 17 nanometri. Sul bordo solare sono visibili gli anelli di campo magnetico. Il colore dell’immagine è stato aggiunto artificialmente, poiché la lunghezza d’onda rilevata dallo strumento è invisibile all’occhio umano. Crediti: Esa & Nasa/Solar Orbiter/Eui Team
Questo studio rivela anche come il Sole riscaldi la sua atmosfera e acceleri le particelle del vento solare nello spazio. Inoltre, mostra che l’atmosfera solare lascia la propria traccia sulle particelle del vento, fornendo un possibile metodo per ricavare la storia del plasma solare anche lontano dalla stella.
«Come umani sulla Terra – e nello spazio – le nostre vite sono intrecciate con ciò che accade sulla nostra stella», dice Daniel Müller, project scientist di Solar Orbiter all’Esa. «Il vento solare lega la Terra al Sole, e la nostra conoscenza della sua dinamica ha implicazioni importanti per proteggere il nostro pianeta da eventi estremi di meteorologia spaziale. Più ne conosciamo, meglio possiamo prepararci alle tempeste solari per proteggere le nostre infrastrutture e tecnologie space-based».
«Questa scoperta non sarebbe stata possibile senza Solar Orbiter – nessun’altra sonda possiede sia la vicinanza al Sole sia gli strumenti adeguati necessari per stabilire questo collegamento. È un ottimo esempio di come la missione stia fornendo esattamente il tipo di dati scientifici che sapevamo potesse offrire, mettendo in relazione il Sole con il suo contesto più ampio e rivelando più dettagli sulla nostra stella».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo “On the coronal origin of magnetic switchbacks in the solar wind” di J. T. Coburn, S. L. Yardley, N. Ngampoopun, R. Dewey, Y. J. Rivera, R. De Marco, D. Verscharen, C. J. Owen, G. H. H. Suen, B. Alterman, D. Baker, A. Fazakerley, A. B. Galvin, J. He, T. S. Horbury, C. Hou, C. Ioannou, L. M. Kistler, S. T. Lepri, S. Livi, P. Louarn, G. Nicolaou, J. M. Raines e A. P. Rouillard