Le increspature sul Sole aiutano a prevedere le eruzioni solari?
Un gruppo di ricercatori Australiani, Colombiani e Statunitensi, ha scoperto ed analizzato le onde acustiche provocate dai brillamenti solari. La tecnica diagnostica, si chiama olografia eliosismica ed esattamente come le onde sismiche dei mega terremoti sulla Terra permettono ai sismologi di localizzare i loro epicentri, così gli scienziati possono misurare l'epicentro acustico.
Da qualche giorno, si parla del 25esimo ciclo solare del Sole che, stando agli esperti, provocherà nuove macchie e tempeste solari di forte intensità. In aggiunta, si parla delle possibili ripercussioni che questo fenomeno avrà sul clima terrestre. Nonostante tutto, un nuovo studio, si concentra proprio su questo evento, i brillamenti solari, ovvero violente esplosioni sul sole, che lanciano particelle cariche di alta energia, a volte verso la Terra, dove disturbano le comunicazioni e mettono in pericolo i satelliti e gli astronauti.
Ma, come gli scienziati hanno scoperto nel 1996, i flares possono anche creare attività sismiche – terremoti solari – rilasciando onde acustiche impulsive che penetrano in profondità nell’interno del sole.
Mentre la relazione tra le eruzioni solari e i terremoti è ancora un mistero, nuove scoperte suggeriscono che questi ” fenomeni acustici transitori” – e le increspature superficiali che generano – possono dirci molto sulle eruzioni e potrebbero un giorno aiutarci a prevederne le dimensioni e la gravità.
Un team di fisici provenienti da Stati Uniti, Colombia e Australia ha scoperto che parte dell’energia acustica rilasciata da un brillamento nel 2011 proveniva da circa 1.000 chilometri sotto la superficie solare – la fotosfera – e, quindi, molto al di sotto del brillamento solare che ha innescato il terremoto.
I risultati, pubblicati il 21 settembre su The Astrophysical Journal Letters, provengono da una tecnica diagnostica chiamata olografia eliosismica, introdotta alla fine del 1900 dalla scienziata francese Françoise Roddier e ampiamente sviluppata dagli scienziati statunitensi Charles Lindsey e Douglas Braun, ora alla NorthWest Research Associates di Boulder, Colorado, e co-autori del documento.
L’olografia eliosismica permette agli scienziati di analizzare le onde acustiche innescate dai flares per sondare le loro sorgenti, così come le onde sismiche dei mega terremoti sulla Terra permettono ai sismologi di localizzare i loro epicentri.
Le increspature solari e la scoperta del team Australiano
La tecnica, è stata applicata per la prima volta ai transitori acustici rilasciati dai brillamenti, da una studentessa laureata in Romania, Alina-Catalina Donea, sotto la supervisione di Lindsey e Braun. Donea è ora alla Monash University di Melbourne, Australia.
“È il primo diagnostico eliosismico specificamente progettato per discriminare direttamente le profondità delle fonti che ricostruisce, così come la loro posizione orizzontale”, ha detto Braun.
“Non possiamo vedere direttamente l’interno del sole. È opaco ai fotoni che ci mostrano l’atmosfera esterna del sole, da dove possono fuggire per raggiungere i nostri telescopi”; ha detto il coautore Juan Camilo Buitrago-Casasas, dell’Università della California, Berkeley, dottorando in fisica della Colombia.
“Il modo in cui possiamo sapere cosa succede all’interno del sole è attraverso le onde sismiche che fanno delle increspature sulla superficie solare simili a quelle causate dai terremoti sul nostro pianeta. Una grande esplosione, come un’eruzione, può iniettare nel sole un potente impulso acustico, la cui successiva firma possiamo usare per mappare la sua origine in qualche dettaglio. Il grande messaggio di questo documento è che la fonte di almeno una parte di questo rumore è profondamente sommersa. Stiamo segnalando la fonte di onde acustiche più profonda finora conosciuta al sole”.
Le esplosioni acustiche che provocano i colpi di sole in alcuni brillamenti irradiano onde acustiche in tutte le direzioni, principalmente verso il basso. Mentre le onde che viaggiano verso il basso si muovono attraverso regioni a temperatura sempre più elevata, i loro percorsi si piegano per rifrazione, per poi risalire in superficie, dove creano increspature come quelle che si vedono dopo aver gettato un sassolino in uno stagno. Il tempo tra l’esplosione e l’arrivo delle increspature è di circa 20 minuti.
Densità e superficie solare
“Le increspature, quindi, non sono solo un fenomeno superficiale, ma la firma superficiale delle onde che sono andate in profondità sotto la regione attiva per poi risalire verso la superficie esterna nell’ora successiva”, ha detto Lindsey. Analizzando le increspature superficiali si può individuare la fonte dell’esplosione.
“E’ stato ampiamente ipotizzato che le onde emesse dai brillamenti acustici attivi vengano iniettate dall’alto nell’interno del sole. Quello che stiamo trovando è la forte indicazione che parte della sorgente è molto al di sotto della fotosfera”, ha detto Juan Carlos Martínez Oliveros, un ricercatore di fisica solare del Laboratorio di Scienze Spaziali dell’Università di Berkeley e nativo della Colombia. “Sembra che i razzi siano il precursore, o l’innesco, del transitorio acustico rilasciato. C’è qualcos’altro che accade all’interno del sole che sta generando almeno una parte delle onde sismiche”.
“Usando un’analogia con la medicina, quello che noi (fisici solari) stavamo facendo prima è come usare i raggi X per guardare un’istantanea dell’interno del sole”. Ora stiamo cercando di fare una TAC, per vedere l’interno del sole in tre dimensioni”, ha aggiunto Martínez Oliveros.
I colombiani, tra cui gli studenti Ángel Martínez e Valeria Quintero Ortega dell’Universidad Nacional de Colombia, a Bogotá, sono coautori dell’ApJ Letters paper con il loro supervisore, Benjamín Calvo-Mozo, professore associato di astronomia.
“Sappiamo delle onde acustiche dei razzi da poco più di vent’anni ormai, e da allora immaginiamo le loro sorgenti in orizzontale. Ma solo recentemente abbiamo scoperto che alcune di queste sorgenti sono sommerse sotto la superficie solare”, ha detto Lindsey. “Questo può aiutare a spiegare un grande mistero: alcune di queste onde acustiche sono state emesse da luoghi privi di disturbi locali della superficie che possiamo vedere direttamente nelle radiazioni elettromagnetiche. Ci siamo chiesti per molto tempo come ciò possa accadere”.
Un sole sismicamente attivo
Da più di 50 anni gli astronomi sanno che il sole riverbera con onde sismiche, proprio come la Terra e il suo costante ronzio di attività sismica. Quest’attività, che può essere rilevata dallo spostamento Doppler della luce emanata dalla superficie, è intesa come guidata da tempeste convettive che formano un mosaico di granelli delle dimensioni del Texas, che coprono la superficie del sole e rimbombano continuamente.
In mezzo a questo rumore di fondo, le regioni magnetiche possono innescare violente esplosioni rilasciando onde che rendono le spettacolari increspature che poi appaiono sulla superficie del sole nell’ora successiva, come scoperto 24 anni fa dagli astronomi Valentina Zharkova e Alexander Kosovichev.
Con la scoperta di altri terremoti solari, sono fiorite la sismologia delle torce e le tecniche per esplorarne la meccanica e le possibili relazioni con l’architettura dei flussi magnetici alla base delle regioni attive.
Tra le questioni aperte: Quali sono i brillamenti che provocano e non provocano i colpi di sole? I terremoti possono avvenire senza un’eruzione? Perché le scosse solari provengono principalmente dai bordi delle macchie solari o dalla penombra? Finora, la maggior parte dei brillamenti solari sono stati studiati una tantum, poiché i forti brillamenti, anche nei periodi di massima attività solare, possono verificarsi solo poche volte all’anno. L’attenzione iniziale si è concentrata sui razzi più grandi, o classe X, classificati in base all’intensità dei raggi X deboli che emettono. Buitrago-Casasas, che ha ottenuto la laurea e il master presso l’Universidad Nacional de Colombia, si è unito a Lindsey e Martínez Oliveros per condurre un’indagine sistematica sui brillamenti solari relativamente deboli per aumentare il loro database, per una migliore comprensione della meccanica dei terremoti solari.
Il fenomeno transitorio acustico
Dei 75 brillamenti catturati tra il 2010 e il 2015 dal satellite RHESSI, un satellite a raggi X della NASA progettato, costruito e gestito dal Laboratorio di Scienze Spaziali e andato in pensione nel 2018-18 ha prodotto dei terremoti solari. Uno dei transitori acustici di Buitrago-Casasas, quello lanciato dal razzo del 30 luglio 2011, ha catturato l’attenzione degli studenti universitari Martínez, ora laureato, e Quintero Ortega.
“Abbiamo dato ai nostri studenti collaboratori dell’Università Nazionale la lista dei bagliori della nostra indagine. Sono stati i primi a dire: “Guardate questo”. È diverso! Che cosa è successo qui? Buitrago-Casasas ha detto. “E così, lo scoprimmo. E’ stato super eccitante!”.
[ VIDEO – Sequenza time-lapse del 30 luglio 2011, eruzione solare osservata dal SolarDynamics Observatory della NASA. Il fotogramma a sinistra mostra le emissioni di luce visibile in ambra e le emissioni ultraviolette estreme in eccesso in rosso. Il fotogramma a destra mostra la velocità Doppler della linea di vista delle emissioni della superficie solare. Tra i 20 e i 40 minuti successivi alla fase impulsiva dell’eruzione (IP sulla linea temporale), un forte disturbo acustico rilasciato verso il basso nell’interno solare sottostante si è rifratto verso la superficie esterna, a decine di migliaia di chilometri dal luogo dell’eruzione, per provocare increspature di superficie che si propagano verso l’esterno (riquadro di destra). Il filmato è 200 volte più veloce del tempo reale; le ondulazioni sono amplificate di un fattore tre nel fotogramma destro rispetto a quello sinistro. Credito: Charles Lindsey].
Gli autori spiegano è stato possibile scoprire la fonte che genera le esplosioni
Martínez e Quintero Ortega sono i primi autori di un articolo che descrive l’estrema impulsività delle onde emesse da quel razzo del 30 luglio 2011, apparso nel numero del 20 maggio 2020 di The Astrophysical Journal Letters. Queste onde avevano componenti spettrali che davano ai ricercatori una risoluzione spaziale senza precedenti delle loro distribuzioni di origine.
Grazie ai superbi dati del satellite del Solar Dynamics Observatory della NASA, il team è stato in grado di individuare la fonte dell’esplosione che ha generato le onde sismiche 1.000 chilometri sotto la fotosfera. Questa è poco profonda, rispetto al raggio del sole di quasi 700.000 chilometri, ma più profonda di qualsiasi fonte acustica precedentemente conosciuta nel sole.
Una sorgente immersa sotto la fotosfera del sole con una propria morfologia e nessuna perturbazione evidente direttamente al di sopra dell’atmosfera esterna suggerisce che il meccanismo che guida il transitorio acustico è a sua volta sommerso.
“Può funzionare innescando un’esplosione compatta con la propria fonte di energia, come un terremoto innescato a distanza”, ha detto Lindsey. “Il bagliore soprastante scuote qualcosa sotto la superficie, e poi un’unità molto compatta di energia sommersa viene rilasciata come suono acustico”, ha detto. “Non c’è dubbio che il brillamento sia coinvolto, è solo che l’esistenza di questa profonda sorgente compatta suggerisce la possibilità di una fonte di energia separata, distintiva, compatta e sommersa che guida l’emissione”.
Circa la metà delle eruzioni solari di medie dimensioni che Buitrago-Casasas e Martínez Oliveros hanno catalogato sono state associate ai terremoti solari, dimostrando che si verificano comunemente insieme. Da allora il team ha trovato altre fonti sommerse associate a razzi ancora più deboli.
Conclusione
La scoperta di sorgenti acustiche sommerse apre la questione se ci sono casi di transitori acustici che sono rilasciati spontaneamente, senza alcun disturbo superficiale, o senza alcun brillamento.
“Se i terremoti solari possono essere generati spontaneamente al sole, questo potrebbe condurci a uno strumento di previsione, se il transitorio può provenire da un flusso magnetico che deve ancora rompere la superficie del sole”, ha detto Martínez Oliveros. “Potremmo allora anticipare l’inevitabile emergere successivo di quel flusso magnetico. Potremmo anche prevedere alcuni dettagli su quanto grande sta per apparire una regione attiva e che tipo – anche, forse, che tipo di brillamenti – potrebbe produrre. È un’ipotesi azzardata, ma vale la pena di esaminarla”.
