sfrecciando nello spazio a una velocità prossima alla luce, Particelle energetiche solari, o SEP, sono una delle principali sfide per il futuro del volo spaziale umano. Le nuvole di questi minuscoli proiettili solari possono raggiungere la Terra, un viaggio di 93 milioni di miglia, in meno di un'ora. Possono friggere l'elettronica dei veicoli spaziali sensibili e rappresentare gravi rischi per gli astronauti umani. Ma il loro esordio è straordinariamente difficile da prevedere, in parte perché non sappiamo ancora esattamente da dove provengano.

Un nuovo studio che ha tracciato tre esplosioni SEP al Sole ha fornito la prima risposta.

"Siamo stati in grado per la prima volta di individuare le fonti specifiche di queste particelle energetiche, "ha detto Stephanie Yardley, fisico spaziale presso l'University College di Londra e coautore dell'articolo. "Comprendere le regioni di origine e i processi fisici che producono i SEP potrebbe portare a una migliore previsione di questi eventi". Gli autori dello studio David Brooks, fisico spaziale alla George Mason University di Washington, DC, e Yardley hanno pubblicato i loro risultati in Progressi scientifici il 3 marzo, 2021.

I SEP possono sparare dal Sole in qualsiasi direzione; catturarne uno nella vastità dello spazio non è cosa da poco. L'Osservatorio del sistema eliofisico della NASA, una flotta in crescita di veicoli spaziali che studiano il Sole, posizionato strategicamente in tutto il sistema solare, è stato progettato in parte per aumentare le possibilità di quegli incontri fortunati.

Gli scienziati hanno diviso gli eventi SEP in due tipi principali:impulsivi e graduali. Gli eventi SEP impulsivi di solito si verificano dopo i brillamenti solari, i lampi luminosi sul Sole prodotti da improvvise eruzioni magnetiche.

"C'è questo picco davvero acuto, e poi un decadimento esponenziale con il tempo, " ha detto Lynn Wilson, scienziato del progetto per la navicella spaziale Wind presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland.

I SEP graduali durano più a lungo, a volte per giorni. Vengono in grandi sciami, rendendo le esplosioni un rischio maggiore per astronauti e satelliti. SEP graduali sono spinti da dietro da espulsioni di massa coronale, o CME:grandi pennacchi di materiale solare che fluttuano nello spazio come un'onda di marea. I SEP si comportano come surfisti, catturati da quell'onda e spinti a velocità incredibili.

Il più grande mistero sui SEP graduali non è ciò che li accelera, ma da dove vengono in primo luogo. Per ragioni ancora non del tutto comprese, I SEP contengono un diverso mix di particelle rispetto all'altro materiale solare che fuoriesce dal Sole nel vento solare:meno carbonio, zolfo, e ioni fosforo, ad esempio. Alcuni scienziati sospettano che siano fatti di un tessuto completamente diverso, formandosi in una caratteristica o strato diverso del Sole rispetto al resto del vento solare.

Per scoprire da dove provengono i SEP, Brooks e Yardley hanno tracciato gli eventi SEP graduali da gennaio 2014 alla loro origine sul Sole.

Hanno iniziato con la navicella spaziale Wind della NASA, che orbita al punto di Lagrange L1 circa 1 milione di miglia più vicino al Sole di quanto lo siamo noi. Uno degli otto strumenti di Wind è Energetic Particles:Acceleration, Composizione, e Trasporti, o strumento EPACT, specializzata nel rilevamento di SEP. EPACT ha catturato tre forti esplosioni SEP il 4 gennaio, 6° e 8°.

I dati di Wind hanno mostrato che questi eventi SEP avevano effettivamente una specifica "impronta digitale", un diverso mix di particelle rispetto a quello che si trova tipicamente nel vento solare.

"Spesso c'è meno zolfo nei SEP rispetto al vento solare, a volte molto meno", ha detto Brooks, autore principale dell'articolo. "Questa è un'impronta digitale unica di SEP che ci consente di cercare luoghi nell'atmosfera del Sole dove manca anche lo zolfo".

Si sono rivolti alla navicella spaziale Hinode della JAXA/NASA che osserva il sole, un osservatorio in cui Brooks svolge un ruolo operativo critico per la NASA dal Giappone. Hinode stava guardando la regione attiva 11944, un'area luminosa di forte campo magnetico con una grande macchia solare scura visibile dalla Terra. L'AR 11944 aveva prodotto diversi grandi brillamenti e CME all'inizio di gennaio che rilasciavano e acceleravano i SEP osservati da Wind.

Spettrometro di imaging a raggi ultravioletti estremi di Hinode, o strumento EIS, scansionato la regione attiva, scomponendo la luce in righe spettrali utilizzate per identificare elementi specifici. Hanno cercato luoghi nella regione attiva con un'impronta digitale corrispondente, dove lo specifico mix di elementi concordava con quanto visto nei dati di Wind.

"Questo tipo di ricerca è esattamente ciò che Hinode è stato progettato per perseguire, " disse Sabrina Selvaggio, lo scienziato del progetto statunitense per Hinode. "La scienza dei sistemi complessi non può essere svolta in una bolla con una sola missione".

I dati di Hinode hanno rivelato la fonte degli eventi di SEP, ma non era ciò che Brooks o Yardley si aspettavano.

Di regola, il vento solare può fuggire più facilmente trovando linee di campo magnetico aperte, linee di campo ancorate al Sole da un lato ma che fluiscono nello spazio dall'altro.

"Pensavo davvero che l'avremmo trovato ai margini della regione attiva dove il campo magnetico è già aperto e il materiale può sfuggire direttamente, " ha detto Brooks. "Ma l'impronta digitale ha trovato riscontro solo nelle regioni in cui il campo magnetico è ancora chiuso".

I SEP si erano in qualche modo liberati da forti anelli magnetici collegati al Sole ad entrambe le estremità. Questi anelli intrappolano il materiale vicino alla parte superiore della cromosfera, uno strato sottostante dove eruttano i brillamenti solari e le espulsioni di massa coronale.

"Le persone hanno già pensato a come potrebbe uscire dal campo chiuso, specialmente nel contesto del vento solare, " ha detto Brooks. "Ma penso che il fatto che il materiale sia stato trovato nel cuore della regione, dove i campi magnetici sono molto forti, rende più difficile il funzionamento di questi processi".

Il sorprendente risultato solleva nuove domande su come i SEP sfuggono al Sole, domande mature per il lavoro futuro. Ancora, individuare la fonte di un evento è un grande passo avanti.

"Normalmente, devi dedurre questo genere di cose, diresti, 'guarda abbiamo visto un settembre e un brillamento solare, e il settembre probabilmente è venuto dal brillamento solare, '" ha detto Wilson, che non era coinvolto nello studio. "Ma questa è una prova diretta che lega insieme questi due fenomeni".

Brooks e Yardley dimostrano anche un modo per utilizzare il crescente Osservatorio del sistema eliofisico della NASA, combinare osservazioni di più veicoli spaziali per fare scienza che in precedenza non era possibile.

"È un modo di pensare a tutte le astronavi che sono in volo che puoi usare per fare un singolo studio, "Ha detto Wilson. "È come avere un mucchio di stazioni meteorologiche:inizi ad avere un'immagine molto migliore di ciò che sta facendo il tempo su una scala più ampia, e puoi iniziare attivamente a provare a prevederlo."

"Questi autori hanno svolto un lavoro straordinario combinando i giusti set di dati e applicandoli alle domande giuste, " Ha detto Savage. "La ricerca delle origini di particelle energetiche potenzialmente dannose è stata ristretta in modo critico grazie a questo sforzo".