Nell'immagine ottenuta con lo spettrografo IRIS della NASA, si può vedere nel letto o nel limbo del Sole la moltitudine di getti che balzano in superficie. Nell'immagine al centro, il modello numerico è in grado di riprodurre i getti. Nell'immagine sottostante, ripresa con il Telescopio Solare Svedese dell'Osservatorio del Roque de los Muchachos (La Palma), i getti sono osservati nel disco solare come strutture filamentose di breve durata e riflessi nello spettro spostato al blu perché si stanno avvicinando alla Terra. Credito:Telescopio solare svedese dell'Osservatorio del Roque de los Muchachos (La Palma)
Combinando osservazioni e simulazioni al computer, un nuovo modello mostra che la presenza di neutri nel gas facilita la penetrazione dei campi magnetici attraverso la superficie del Sole producendo le spicole. In questo studio, guidato da un astrofisico che ha studiato all'Università di La Laguna, ha partecipato il Telescopio solare svedese dell'Osservatorio del Roque de los Muchachos a La Palma.
In un dato momento, ben 10 milioni di serpenti selvatici di materiale solare saltano dalla superficie del sole. Queste sono spicole, e nonostante la loro abbondanza, gli scienziati non hanno capito come si formano questi getti di plasma né hanno influenzato il riscaldamento degli strati esterni dell'atmosfera solare o il vento solare. Ora, per la prima volta, in uno studio in parte finanziato dalla NASA, gli scienziati hanno modellato la formazione delle spicole. Per la prima volta, un team scientifico ha rivelato la loro natura combinando simulazioni e immagini scattate con lo spettrografo IRIS della NASA e il Telescopio solare svedese dell'Osservatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma). Lo studio, guidato dal dottor Juan Martinez-Sykora, ricercatore presso il Laboratorio Solare e Astrofisico di Lockheed Martin (California) e astrofisico presso l'Università di La Laguna (ULL), è pubblicato oggi sulla rivista Scienza .
Le osservazioni sono state effettuate con IRIS (Spettrografo di imaging della regione dell'interfaccia della NASA), un telescopio spaziale ultravioletto di 20 cm con uno spettrografo in grado di osservare dettagli di circa 240 km, e il telescopio solare svedese, situato presso l'Osservatorio del Roque de los Muchachos. Questa navicella spaziale e il telescopio terrestre studiano gli strati inferiori dell'atmosfera solare, dove si formano le spicole:cromosfera e regione di transizione
Oltre alle immagini, hanno usato simulazioni al computer il cui codice è stato sviluppato per quasi un decennio. "Nella nostra ricerca, "dice il prof. Bart De Pontieu, anche autore dello studio, "entrambi vanno di pari passo. "Confrontiamo osservazioni e modelli per capire il rendimento dei nostri modelli, così come dovremmo interpretare le nostre osservazioni spaziali".
Il loro modello si basa sulla dinamica del plasma, il gas caldo di particelle cariche che scorre lungo i campi magnetici e costituisce il sole. Le versioni precedenti del modello trattavano la regione dell'interfaccia come un'uniforme, o completamente carico, plasma, ma gli scienziati sapevano che mancava qualcosa perché non avevano mai visto spicole nelle simulazioni.
Il modello che hanno generato si basa sulla dinamica del plasma, un gas parzialmente ionizzato molto caldo che scorre lungo i campi magnetici. Le versioni precedenti consideravano la bassa atmosfera come un plasma uniforme o completamente carico, ma sospettavano che mancasse qualcosa poiché non hanno mai rilevato picchi 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 numerosi processi dinamici. Nelle regioni più fredde del sole, come la regione di interfaccia, il plasma non è in realtà uniforme. Alcune particelle sono ancora neutre, e le particelle neutre non sono soggette a campi magnetici come le particelle cariche. Gli scienziati hanno basato i modelli precedenti su un plasma uniforme per semplificare il problema:la modellazione è computazionalmente costosa, e il modello finale ha impiegato circa un anno per funzionare con le risorse di supercalcolo della NASA, ma si sono resi conto che le particelle neutre sono un pezzo necessario del puzzle.
"Di solito i campi magnetici sono strettamente accoppiati a particelle cariche, " disse Juan Martínez-Sykora, autore principale dello studio e fisico solare della Lockheed Martin. "Con solo particelle cariche nel modello, i campi magnetici erano bloccati, e non poteva salire in superficie. Quando abbiamo aggiunto i neutri, i campi magnetici potrebbero muoversi più liberamente."
Le particelle neutre facilitano la galleggiabilità di cui i nodi screziati di energia magnetica hanno bisogno per salire attraverso il plasma bollente e raggiungere la superficie. Là, si spezzano producendo spicole, rilasciando plasma ed energia. Le simulazioni corrispondevano strettamente alle osservazioni; spicole si sono verificate naturalmente e frequentemente.
"Questo risultato è un chiaro esempio della svolta che si può ottenere combinando potenti metodi teorico-numerici, osservazioni all'avanguardia e strumenti di supercalcolo per comprendere meglio i fenomeni astrofisici", spiega il Prof.Fernando Moreno-Insertis, fisico solare presso IAC, Professore dell'ULL e supervisore del Diploma di studi avanzati (DEA) di Juan Martínez-Sykora. "La grande complessità di molti dei fenomeni che si verificano nell'atmosfera solare ci costringe a considerare allo stesso tempo la dinamica del gas parzialmente ionizzato, il campo magnetico e l'interazione radiazione-materia per poterli spiegare in modo soddisfacente".
"Questo risultato è un chiaro esempio delle scoperte che si possono ottenere combinando potenti metodi teorico-numerici, osservazioni all'avanguardia e strumenti di supercalcolo per comprendere meglio i fenomeni astrofisici", spiega Fernando Moreno-Insertis, fisico solare presso IAC, Professore all'ULL e relatore della tesi DEA (equivalente a una tesi di master) di Juan Martínez-Sykora. "La grande complessità di molti dei fenomeni che si verificano nell'atmosfera solare ci costringe a considerare allo stesso tempo la dinamica del gas parzialmente ionizzato, il campo magnetico e l'interazione radiazione-materia per poterli spiegare in modo soddisfacente".
Il modello aggiornato degli scienziati ha rivelato qualcosa anche sul trasporto dell'energia solare. Si scopre che l'energia in questo processo simile a una frusta è abbastanza alta da generare onde di Alfvén, un forte tipo di onde che gli scienziati sospettano sia la chiave per riscaldare l'atmosfera del sole e spingere il vento solare, che bagna costantemente il sistema solare con particelle cariche provenienti dal sole.
L'Accademia Nazionale delle Scienze ha assegnato al Prof. Mats Carlsson e al Prof. Viggo H. Hansteen, sia gli sviluppatori del modello che gli autori dello studio, con la Medaglia Arctowski 2017 in riconoscimento dei loro contributi allo studio della fisica solare e della connessione Sole-Terra. Juan Martínez-Sykora ha incluso gli effetti prodotti dalla presenza delle particelle neutre.
