Utilizzando oltre 18 anni di dati dalla missione Cluster dell'ESA, gli scienziati hanno mappato i metalli pesanti nello spazio che circonda la Terra, trovando un'inaspettata distribuzione e prevalenza del ferro e facendo luce sulla composizione del nostro ambiente cosmico.

Spesso si presume che lo spazio sia privo di materia, ma tecnicamente non è proprio vuoto:la distribuzione della materia è solo molto, molto scarso. In prossimità della Terra, lo spazio che gli scienziati chiamano "geospazio" è in realtà pieno di particelle cariche:una miscela di elettroni, che hanno carica negativa, e ioni carichi positivamente. Questi ioni sono attori chiave nei processi elettrodinamici che vediamo nel geospazio, e contribuire al turbolento, natura mutevole di questa parte del cosmo.

Un rilevamento sorprendente

Un nuovo studio utilizza oltre 18 anni di dati dalla missione Cluster dell'ESA, lanciata nell'agosto 2000 e vicina al suo 20° anniversario nello spazio, per esplorare la prevalenza di un importante ione ritenuto relativamente raro vicino alla Terra:il ferro. Approfondendo i dati del Cluster raccolti dal 2001 al 2018, i ricercatori hanno rilevato una distribuzione inaspettata di ferro in tutto il geospazio.

"Anche se gli importi sono esigui, abbiamo trovato ferro ovunque:in tutta la regione del geospazio coperta da Cluster, e nel vento solare vicino alla Terra, la continua effusione di particelle cariche dal sole, " afferma l'autore principale Stein Haaland del Max Planck Institute for Solar System Research di Göttingen, Germania, e il Birkeland Center for Space Science presso l'Università di Bergen, Norvegia.

"Abbiamo rilevato il ferro in circa il 10% delle osservazioni che, data la relativa rarità dello ione, è sorprendente. Non ci aspettavamo di trovarlo così spesso".

Però, non è la presenza del ferro in sé che sorprende, ma piuttosto le sue proprietà. Il satellite JAXA/NASA Geotail, che ha trascorso oltre 25 anni osservando l'ambiente magnetico terrestre, aveva rilevato ferro ionizzato singolarmente nel geospazio nel 2017. Questi sono atomi di ferro che sono stati privati ​​solo della parte più esterna dei loro elettroni. I nuovi risultati non solo confermano questo risultato, ma forniscono una nuova parte essenziale del quadro.

"Le osservazioni del Cluster si concentrano su una gamma di energia molto più elevata rispetto a Geotail, e darci una visione più completa dello spazio che ci circonda, rilevando non solo il ferro ionizzato singolarmente ma anche il ferro multi-ionizzato:questi sono ioni in stati energetici superiori che sono stati privati ​​di più di un elettrone, " aggiunge Stein. "Il ferro nel vento solare tende a essere visto in stati di carica più elevati, quindi abbiamo bisogno di questo più ampio, gamma di energia più elevata per comprendere in particolare il vento solare e il suo impatto sull'ambiente magnetico terrestre".

La fonte del ferro nel geospazio

Gli ioni possono entrare nel geospazio dall'alto o dal basso. Alcuni risalgono dall'atmosfera terrestre, mentre altri arrivano dal vento solare. La fonte dei metalli pesanti, come il ferro, è ancora dibattuto:da dove vengono questi ioni, e come contribuiscono ai fenomeni che vediamo intorno a noi?

"Le osservazioni di Geotail si sono concentrate sul ferro che risale dall'atmosfera terrestre, e a energie piuttosto basse, " spiega Stein. "Abbiamo scoperto che c'è molto più ferro proveniente dal sole, e ad energie molto più elevate. Abbiamo anche trovato ferro nelle regioni sopra le calotte polari della Terra, una posizione che Geotail non ha coperto".

Basandosi sui risultati precedenti, il nuovo studio esplora in modo più approfondito la potenziale fonte del ferro ionizzato. Questo è un fattore chiave per comprendere le dinamiche e le proprietà del geospazio, la nostra magnetosfera, il vento solare, e come queste strutture si incontrano e interagiscono.

Precedenti ricerche hanno proposto che il rilevamento di ioni ferro a latitudini più elevate possa essere dovuto a una varietà di fattori, compresi i meteoriti che entrano nell'atmosfera terrestre e si disgregano, particelle che vengono sollevate da alcuni strati dell'atmosfera, o anche particelle espulse dalla Luna. Però, i risultati del nuovo Cluster non mostrano prove convincenti di nessuno di questi processi; Invece, suggeriscono che il ferro viene direttamente dal sole.

"I dati sulla distribuzione e la presenza del ferro sono variati nel tempo in modo da corrispondere ai disturbi nel campo magnetico terrestre, e le fluttuazioni a lungo termine dell'attività solare, " dice Stein. "Questo suggerisce che la maggior parte del ferro nel geospazio ha avuto origine dal vento solare che è passato attraverso la magnetosfera, piuttosto che viaggiare verso l'alto dall'atmosfera del nostro pianeta."

Nascosto nei dati

Per mappare la composizione del geospazio, Stein e colleghi hanno utilizzato i dati Cluster in modo inaspettato. Hanno sfruttato misurazioni raccolte non per scopi scientifici, ma per la diagnostica operativa di uno degli strumenti del veicolo spaziale:RAPID (Ricerca con rivelatori di immagini adattive di particelle).

Lo strumento identifica e caratterizza i vari ioni che rileva misurandone le energie e il tempo di percorrenza all'interno del rivelatore. Per l'ordinaria attività scientifica, RAPID calcola queste proprietà solo per l'idrogeno, atomi di elio e ossigeno; però, a scopo diagnostico, lo strumento fornisce proprietà aggiuntive per un numero limitato di particelle, estendendo la gamma sondata a ioni più pesanti.

Queste misurazioni servono per calibrare lo strumento e garantire che funzioni come previsto. Però, gli scienziati hanno utilizzato queste osservazioni diagnostiche, per un totale di 122.000 ore, per determinare la composizione degli ioni in ingresso e identificare le particelle di ferro.

"La capacità di RAPID di misurare la composizione ionica era essenziale. Abbiamo bisogno di misurazioni della composizione per aiutarci a capire meglio da dove provengono i vari elementi che si trovano sulla Terra o nelle vicinanze, e per caratterizzare il nostro ambiente cosmico, "dice Stein.

Estrazione degli archivi

Comprendere lo spazio che circonda la Terra è uno degli obiettivi principali di Cluster. Il quartetto di astronavi, volando in formazione intorno alla Terra, ha passato anni entrando e uscendo dal campo magnetico del nostro pianeta, indagando come interagiscono il sole e la Terra e caratterizzando i fenomeni causati da queste interazioni.

La longevità della missione e la sua ampia orbita le hanno permesso di raccogliere quasi due decenni di dati che coprono tutte le regioni dello spazio vicine alla Terra, e gran parte del vento solare.

"Avevamo bisogno di questo lungo lasso di tempo per la nostra ricerca, e questo è stato possibile solo grazie al Cluster Science Archive, che fornisce dati della migliore qualità che la comunità scientifica può utilizzare, " aggiunge il coautore Patrick Daly, anche del Max Planck Institute for Solar System Research e Principal Investigator dello strumento RAPID.

"Ci è voluto un notevole sforzo per creare questo archivio, e di mantenere continuamente i suoi elevatissimi standard di calibrazione e affidabilità. L'archivio è un credito per i numerosi ingegneri dedicati, operatori di veicoli spaziali e team di archiviazione dei dati che hanno assicurato che Cluster rimane operativo e fornisce ancora nuovi, eccitante, informazioni accessibili sullo spazio vicino alla Terra."

In particolare, i set di dati nel Cluster Science Archive includono dati diagnostici dettagliati, qualcosa che di solito non è incluso in tutti gli archivi di missione.

"Ciò evidenzia l'importanza degli archivi scientifici in generale e dei dati diagnostici in particolare, mostrando come informazioni davvero preziose possono essere raccolte da questi set di dati versatili al fine di produrre risultati scientifici all'avanguardia, "dice Philippe Escoubet, Scienziato del progetto ESA Cluster.

"Dimostra anche bene come la ricerca si evolva continuamente e si spinga in avanti. Il rilevamento del ferro sarebbe stato un risultato totalmente inaspettato quando Cluster è stato lanciato per la prima volta, ma la missione continua a fornire un tesoro di dati sull'ambiente terrestre".