I fisici del Center for Solar-Terrestrial Research (NJIT-CSTR) hanno finalmente individuato una fonte fondamentale dei potentissimi raggi gamma emessi durante le eruzioni stellari più violente. Grazie a questo studio, è stata identificata una classe di particelle ad alta energia precedentemente ignota, situata nell’atmosfera superiore del Sole.
Queste particelle sono le dirette responsabili della generazione di quei segnali di radiazione lunghi e misteriosi che gli scienziati hanno osservato per decenni in concomitanza con i principali brillamenti solari.
Brillamenti solari: la scoperta della sorgente dei raggi gamma solari
La ricerca ha rintracciato l’origine di questi segnali in una regione specifica della corona solare durante un eccezionale brillamento di classe X8.2, avvenuto il 10 settembre 2017. In quell’occasione, sono stati rilevati trilioni di particelle con energie di milioni di elettronvolt (MeV). Si tratta di flussi energetici da centinaia a migliaia di volte superiori a quelli delle comuni particelle di un brillamento, con una velocità di movimento che sfiora quella della luce.
Secondo gli esperti, la generazione di questi raggi gamma avviene attraverso un processo fisico chiamato bremsstrahlung. In questo meccanismo, particelle cariche leggere, come gli elettroni, emettono luce ad altissima energia nel momento in cui entrano in collisione con la materia presente nell’atmosfera solare. Questa scoperta colma lacune fondamentali nella nostra conoscenza della fisica solare e permette di perfezionare i modelli di attività della stella, migliorando di conseguenza le previsioni del meteo spaziale e la valutazione dei potenziali impatti sul nostro ambiente.
La soluzione di questo mistero scientifico è stata possibile grazie alla combinazione dei dati provenienti da due diversi strumenti d’avanguardia. Il team del NJIT ha incrociato le osservazioni del telescopio spaziale Fermi della NASA, che ha misurato le emissioni di raggi gamma, con le immagini a microonde fornite dall’Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA) in California. Mentre i dati sui raggi gamma da soli non potevano rivelare il luogo esatto della loro origine, la risoluzione spaziale delle microonde ha permesso di catturare le firme delle particelle accelerate, chiudendo definitivamente il cerchio sulla loro provenienza.
L’identificazione della regione ROI 3 e la convergenza dei segnali
Attraverso l’analisi incrociata dei dati, i ricercatori hanno individuato una zona specifica dell’atmosfera solare denominata Regione di interesse 3 (ROI 3). Questa area si aggiunge alle zone già note ROI 1 e ROI 2 come punto di convergenza cruciale tra i segnali a microonde e quelli a raggi gamma. Tale sovrapposizione spaziale ha permesso di confermare la presenza di una popolazione di particelle energizzate a livelli di milioni di elettronvolt, fornendo una mappatura precisa di dove avvengono questi fenomeni energetici estremi.
Secondo quanto spiegato dal professor Gregory Fleishman, questa nuova popolazione di particelle presenta caratteristiche uniche rispetto ai tipici elettroni accelerati durante le comuni eruzioni solari. Mentre solitamente il numero di elettroni diminuisce con l’aumentare della loro energia, in questo caso specifico si è osservata una concentrazione insolitamente alta di particelle ad altissima energia, con una quasi totale assenza di componenti a basso livello energetico.
Attraverso modelli avanzati, il team ha collegato questa distribuzione direttamente allo spettro dei raggi gamma, confermando che l’emissione di bremsstrahlung prodotta dalla collisione tra elettroni e plasma solare è l’origine effettiva di questi segnali.
Le osservazioni condotte nella ROI 3, situata vicino a zone con un forte decadimento del campo magnetico, supportano le teorie scientifiche su come le eruzioni solari riescano ad accelerare le particelle cariche fino a velocità prossime a quella della luce. Lo studio fornisce prove evidenti del fatto che i brillamenti solari rilasciano l’energia magnetica accumulata per spingere le particelle verso energie estreme, portandole a evolversi nella popolazione con picco di milioni di elettronvolt scoperta dal team. Questo meccanismo di sostentamento energetico spiega come le radiazioni più violente possano persistere durante gli eventi solari maggiori.
Nonostante l’enigma della sorgente sia stato risolto, restano aperti interrogativi fondamentali sulla natura di queste popolazioni di particelle estreme. Nuove risposte potrebbero arrivare presto grazie al potenziamento dell’infrastruttura di ricerca dell’Owens Valley Solar Array in California. Sotto la direzione del professor Bin Chen, il progetto EOVSA-15 prevede l’installazione di 15 nuove antenne dotate di feed a banda ultralarga, uno strumento che permetterà di osservare il Sole con una definizione ancora maggiore e di approfondire la comprensione della meteorologia spaziale.
L’enigma della carica elettrica: elettroni o positroni
Uno dei dilemmi più affascinanti e complessi emersi dallo studio riguarda l’esatta natura delle particelle accelerate durante i brillamenti solari. Come sottolineato dal professor Gregory Fleishman, la scienza si trova di fronte a una grande incognita: non è ancora chiaro se questa popolazione energetica estrema sia composta da elettroni, ovvero particelle di materia con carica negativa, o dai loro omologhi di antimateria, i positroni.
Sebbene entrambi possano generare raggi gamma attraverso il processo di bremsstrahlung, la presenza di una quantità significativa di antimateria nel cuore di un’eruzione solare aprirebbe scenari completamente nuovi sulla comprensione dei processi nucleari che avvengono nella corona della nostra stella.
Per sciogliere questo nodo scientifico, i ricercatori intendono sfruttare una proprietà specifica della radiazione elettromagnetica: la polarizzazione. Le particelle cariche, quando sono immerse nei potenti campi magnetici solari, emettono radiazioni a microonde che portano impressa la “firma” della loro carica elettrica.
Analizzare il modo in cui queste onde oscillano permetterebbe di distinguere chiaramente tra il movimento di una particella negativa e quello di una positiva. Si tratta di un metodo diagnostico definitivo che trasformerebbe le microonde in una sorta di impronta digitale, capace di rivelare l’identità della materia che le ha generate senza dover catturare direttamente le particelle nello spazio.
La capacità tecnica di effettuare queste misurazioni ultra-precise è attualmente l’obiettivo principale del potenziamento tecnologico in corso. Con l’aggiornamento del sistema Expanded Owens Valley Solar Array alla versione EOVSA-15, gli scienziati avranno a disposizione una strumentazione sensibilmente più potente e sensibile. Questo array di antenne di nuova generazione è progettato specificamente per catturare i dettagli della polarizzazione con una risoluzione mai raggiunta prima.
L’integrazione di queste nuove capacità permetterà di osservare i prossimi eventi solari estremi con una “vista” potenziata, risolvendo l’enigma della carica delle particelle e fornendo dati cruciali per prevedere l’impatto delle tempeste solari sulla tecnologia terrestre e sulle future missioni spaziali con equipaggio.
Lo studio è stato pubblicato su Nature Astronomy.
