Hanno risolto il mistero dell’accelerazione e del riscaldamento del vento solare

Come è noto, il vento solare è un flusso continuo di particelle cariche che emanano dalla corona solare (l’atmosfera del sole) e fluiscono nello spazio in tutte le direzioni, fino a raggiungere la Terra, dove la collisione di queste particelle con l’atmosfera provoca, tra le altre cose, il fenomeno colorato dell’aurora australiana e dell’aurora boreale.

La parte più veloce di questi venti è chiamata vento solare veloce e si muove a una velocità superiore a 500 chilometri al secondo, ovvero 1,8 milioni di chilometri all’ora. Tuttavia, il vento solare non lascia il Sole così velocemente, ma lo fa molto più lentamente e qualcosa lo accelera mentre va. Qualcosa sì, ma cosa?

Nel frattempo, i venti, che lasciano il Sole a temperature di circa un milione di gradi, si stanno raffreddando mentre si espandono in un volume di spazio crescente, ma lo fanno, inspiegabilmente, a un ritmo molto più lento del previsto. Allora cosa fornisce l’energia necessaria per accelerarlo e riscaldarlo?

Oscillazioni del campo magnetico

I dati combinati delle due sonde hanno fornito, per la prima volta, prove conclusive che la risposta risiede nelle oscillazioni su larga scala del campo magnetico del Sole, note come onde di Alfvén.

“Prima di questo lavoro – spiega Yemi Rivera, del Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian e co-primo autore del lavoro – le onde di Alfvén erano state proposte come possibile fonte di energia, ma non avevamo prove conclusive”.

Normalmente, nei gas comuni, come l’aria terrestre, l’unico tipo di onda che può essere espressa sono le onde sonore. Ma quando il gas viene riscaldato a temperature insolite, come accade nell’atmosfera del Sole, cambia stato e diventa plasma, che risponde ai campi magnetici. Ciò consente la formazione di onde chiamate onde di Alfvén nel campo magnetico. Queste onde immagazzinano energia e possono trasferirla in modo efficiente attraverso il plasma.

Un gas “normale” esprime la sua energia immagazzinata in termini di densità, temperatura e velocità. Tuttavia, nel caso del plasma, anche il campo magnetico immagazzina energia. Il Solar Orbiter e la Parker Solar Probe dispongono degli strumenti necessari per misurare le proprietà di questo plasma e le proprietà del campo magnetico solare.

Lavoro congiunto

Sebbene i due veicoli spaziali operino a distanze diverse dal Sole e su orbite molto diverse, nel febbraio 2022 erano allineati lungo lo stesso flusso di vento solare.

Parker, ad una distanza di 13,3 raggi solari (circa 9 milioni di km) dal Sole, ai bordi esterni della corona solare, attraversò per primo il corso d’acqua. Il Solar Orbiter, che operava molto più lontano, a 128 raggi solari (89 milioni di km), ha attraversato il torrente due giorni dopo. “Questo lavoro è stato possibile solo grazie all’allineamento dei due veicoli spaziali, che hanno campionato lo stesso flusso di vento solare in diverse fasi del loro viaggio”, afferma Yemi.

In questo modo, il team è stato in grado di confrontare le misurazioni di una singola corrente di plasma in due luoghi diversi. Successivamente, le misurazioni sono state convertite in quattro principali quantità di energia, che includevano la misurazione dell’energia immagazzinata nel campo magnetico, chiamata flusso di energia delle onde.

Poiché l’energia non può essere creata o distrutta, ma piuttosto si trasforma da una forma all’altra, il team ha confrontato le letture di Parker con quelle di Solar Orbiter, con e senza dati sull’energia magnetica.

“Abbiamo scoperto – spiega Samuel Badman, che è anche co-autore dell’articolo – che se non includiamo il flusso di energia delle onde nel Parker, non uguagliamo la quantità di energia che abbiamo nel Solar Orbiter”.

Vicino al Sole, dove Parker misurò la corrente, circa il 10% dell’energia totale si trovava nel campo magnetico. A bordo del Solar Orbiter, quel numero è sceso solo all’1%, ma il plasma ha accelerato e raffreddato più lentamente del previsto.

Confrontando i numeri, il team ha concluso che l’energia magnetica persa stava accelerando e rallentando il raffreddamento del plasma.

I dati mostrano anche l’importanza delle formazioni magnetiche note come “zigzag” nell’accelerazione del vento. Gli zigzag sono grandi deviazioni nelle linee del campo magnetico solare e sono ottimi esempi di onde Alfvén. Sono stati osservati sin dalle prime sonde solari negli anni ’70, ma il loro tasso di rilevamento è aumentato notevolmente da quando Parker Solar Probe è diventato il primo veicolo spaziale a volare attraverso la corona solare nel 2021 e ha scoperto le linee ondulate unite in punti.

Lo studio conferma che queste regioni contengono energia sufficiente per essere responsabili dell’accelerazione e del riscaldamento dei rapidi venti solari. “Questo nuovo lavoro riunisce sapientemente alcuni importanti pezzi del puzzle solare”, afferma Daniel Müller, scienziato del progetto Solar Orbiter dell’ESA. “La serie di dati raccolti da Solar Orbiter, Parker Solar Probe e altre missioni ci mostra sempre più che i fenomeni solari sono diversi al lavoro.” “Insieme per creare questo straordinario ambiente magnetico.”

D’altronde, per Badman, il lavoro potrebbe essere molto utile al di fuori del nostro sistema solare. “Il nostro sole – spiega lo scienziato – è l’unica stella dell’universo in cui possiamo misurare direttamente i venti. Pertanto, ciò che abbiamo imparato qui si applica, almeno potenzialmente, ad altre stelle simili, e forse ad altri tipi di stelle diverse dal Sole, ma che hanno anch’esse venti.

Il team sta ora espandendo la propria analisi per applicarla alle forme più lente di vento solare, per vedere se anche l’energia del campo magnetico del Sole gioca un ruolo nella sua accelerazione e riscaldamento.