Un grafico che descrive i risultati di Martínez-Sykora et al. Credito:Carla Schaffer / AAAS
In un dato momento, ben 10 milioni di getti selvaggi di materiale solare sono esplosi dalla superficie del sole. Eruttano alla velocità di 60 miglia al secondo, e può raggiungere lunghezze di 6, 000 miglia prima di crollare. Queste sono spicole, e nonostante la loro abbondanza erbacea, gli scienziati non hanno capito come si formano. Ora, per la prima volta, una simulazione al computer, così dettagliata che ci è voluto un anno intero per essere eseguita, mostra come si formano le spicole, aiutando gli scienziati a capire come le spicole possono liberarsi dalla superficie del sole e salire così rapidamente.
Questo lavoro si basava su osservazioni ad alta cadenza dallo spettrografo di imaging della regione dell'interfaccia della NASA, o IRIS, e il telescopio solare svedese da 1 metro a La Palma, nelle Isole Canarie. Insieme, la navicella spaziale e il telescopio scrutano negli strati inferiori dell'atmosfera solare, nota come regione di interfaccia, dove si formano le spicole. I risultati di questo studio finanziato dalla NASA sono stati pubblicati in Scienza il 22 giugno, 2017—un periodo speciale dell'anno per la missione IRIS, che celebra il suo quarto anniversario nello spazio il 26 giugno.
"Modelli numerici e osservazioni vanno di pari passo nella nostra ricerca, " disse Bart De Pontieu, un autore dello studio e responsabile scientifico di IRIS presso il Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory, a Palo Alto, California. "Confrontiamo osservazioni e modelli per capire quanto stanno funzionando i nostri modelli, e per migliorare i modelli quando vediamo grandi discrepanze".
L'osservazione delle spicole è stato un problema spinoso per gli scienziati che vogliono capire come la materia e l'energia solare si muovono attraverso e lontano dal sole. Le spicole sono transitorie, formandosi e collassando nel corso di soli 5-10 minuti. Queste tenui strutture sono anche difficili da studiare dalla Terra, dove l'atmosfera spesso offusca la visione dei nostri telescopi.
Al lembo del Sole, molti getti sparano dalla superficie, come mostrato nell'immagine in alto scattata con lo spettrografo IRIS della NASA. Nel pannello centrale, viene mostrato un modello numerico in grado di simulare questi getti. Nell'immagine in basso scattata con il telescopio solare svedese da 1 m al Roque de los Muchachos (La Palma, Spagna), i getti osservati nel centro del disco del Sole sembrano strutture di filamenti sottili di breve durata con visto nella posizione spostata blu nello spettro poiché stanno venendo verso di noi. Credito:spettrografo IRIS della NASA, Codice Bifrost sviluppato presso l'Università di Oslo, e il telescopio solare svedese da 1 m al Roque de los Muchachos (La Palma, Spagna)
Un team di scienziati ha lavorato su questo particolare modello per quasi un decennio, provando ancora e ancora a creare una versione che creerebbe spicole. Le versioni precedenti del modello trattavano la regione dell'interfaccia, la bassa atmosfera solare, come un gas caldo di particelle caricate elettricamente o, più tecnicamente, un plasma completamente ionizzato. Ma gli scienziati sapevano che mancava qualcosa perché non avevano mai visto spicole nelle simulazioni.
Il tasto, gli scienziati si sono resi conto, erano particelle neutre. Sono stati ispirati dalla ionosfera terrestre, una regione dell'alta atmosfera dove le interazioni tra particelle neutre e cariche sono responsabili di molti processi dinamici.
Il team di ricerca sapeva che nelle regioni più fredde del sole, come la regione di interfaccia, non tutte le particelle di gas sono caricate elettricamente. Alcune particelle sono neutre, e le particelle neutre non sono soggette a campi magnetici come le particelle cariche. Gli scienziati avevano basato i modelli precedenti su un plasma completamente ionizzato per semplificare il problema. Infatti, includere le particelle neutre necessarie era molto costoso dal punto di vista computazionale, e il modello finale ha impiegato circa un anno per funzionare sul supercomputer Pleiades situato presso l'Ames Research Center della NASA nella Silicon Valley, e che supporta centinaia di progetti scientifici e ingegneristici per le missioni della NASA.
Il modello è iniziato con una comprensione di base di come si muove il plasma nell'atmosfera del sole. Convezione costante, o bollente, di materiale in tutto il sole genera isole di campi magnetici aggrovigliati. Quando l'ebollizione li porta in superficie e più lontano nella bassa atmosfera del sole, le linee del campo magnetico si rimettono rapidamente in posizione per risolvere la tensione, espellendo plasma ed energia. Fuori da questa violenza, nasce una spicola. Ma spiegare come questi complessi nodi magnetici salgono e si spezzano è stata la parte difficile.
"Di solito i campi magnetici sono strettamente accoppiati a particelle cariche, " disse Juan Martínez-Sykora, autore principale dello studio e fisico solare presso Lockheed Martin e il Bay Area Environmental Research Institute di Sonoma, California. "Con solo particelle cariche nel modello, i campi magnetici erano bloccati, e non poteva sorgere oltre la superficie del sole. Quando abbiamo aggiunto i neutri, i campi magnetici potrebbero muoversi più liberamente."
Le particelle neutre forniscono la galleggiabilità di cui i nodi nodosi di energia magnetica hanno bisogno per salire attraverso il plasma bollente del sole e raggiungere la cromosfera. Là, si incastrano in spicole, rilasciando plasma ed energia. L'attrito tra ioni e particelle neutre riscalda ancora di più il plasma, sia dentro che intorno alle spicole.
Al lembo del Sole, molti getti sparano dalla superficie, come mostrato nell'immagine in alto scattata con lo spettrografo IRIS della NASA. Nel pannello centrale, viene mostrato un modello numerico in grado di simulare questi getti. Nell'immagine in basso scattata con il telescopio solare svedese da 1 m al Roque de los Muchachos (La Palma, Spagna), the jets are observed in the disc center of the Sun look like shortlived thin filament structures with seen at the blue shifted position in the spectrum since they are coming towards us. Credit:NASA IRIS spectrograph, Bifrost code developed at the University of Oslo, and Swedish 1-m Solar Telescope at the Roque de los Muchachos (La Palma, Spain)
Con il nuovo modello, the simulations at last matched observations from IRIS and the Swedish Solar Telescope; spicules occurred naturally and frequently. The 10 years of work that went into developing this numerical model earned scientists Mats Carlsson and Viggo H. Hansteen, both authors of the study from the University of Oslo in Norway, the 2017 Arctowski Medal from the National Academy of Sciences. Martínez-Sykora led the expansion of the model to include the effects of neutral particles.
The scientists' updated model revealed something else about how energy moves in the solar atmosphere. It turns out this whip-like process also naturally generates Alfvén waves, a strong kind of magnetic wave scientists suspect is key to heating the sun's atmosphere and propelling the solar wind, which constantly bathes our solar system and planet with charged particles from the sun.
"This model answers a lot of questions we've had for so many years, " De Pontieu said. "We gradually increased the physical complexity of numerical models based on high-resolution observations, and it is really a success story for the approach we've taken with IRIS."
The simulations indicate spicules could play a big role in energizing the sun's atmosphere, by constantly forcing plasma out and generating so many Alfvén waves across the sun's entire surface.
"This is a major advance in our understanding of what processes can energize the solar atmosphere, and lays the foundation for investigations with even more detail to determine how big of a role spicules play, " said Adrian Daw, IRIS mission scientist at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "A very nice result on the eve of our launch anniversary."
