Lo scorso settembre, un'enorme nuova regione di campo magnetico è eruttata sulla superficie del Sole vicino a una macchia solare esistente. La potente collisione di campi magnetici ha prodotto una serie di potenti brillamenti solari, causando turbolente condizioni meteorologiche spaziali sulla Terra. Questi furono i primi razzi ad essere catturati, nella loro progressione momento per momento, dal New Jersey Institute of Technology (NJIT) ha recentemente ampliato l'Owens Valley Solar Array (EOVSA).

Con 13 antenne che ora lavorano insieme, EOVSA è stata in grado di realizzare per la prima volta immagini del brillamento in più frequenze radio contemporaneamente. Questa maggiore capacità di scrutare la meccanica dei brillamenti offre agli scienziati nuovi percorsi per studiare le eruzioni più potenti nel nostro sistema solare.

"Questi brillamenti di settembre includevano due dei più forti dell'attuale ciclo di attività solare di 11 anni, scagliando radiazioni e particelle cariche verso la Terra che interrompevano le comunicazioni radio, " ha detto Dale Gary, illustre professore di fisica presso il Center for Solar-Terrestrial Research (CSTR) del NJIT e direttore dell'EOVSA. L'ultimo bagliore del periodo, il 10 settembre, è stato "il più emozionante, " Ha aggiunto.

"La regione delle macchie solari stava appena passando sopra il lembo solare, il bordo del Sole mentre ruota, e potevamo vedere l'altezza comparativa del brillamento in molte lunghezze d'onda diverse, da ottica, all'ultravioletto, ai raggi X, alla radio, " ha raccontato. "Questa vista ha fornito una meravigliosa opportunità per catturare la struttura di un grande brillamento solare con tutti i suoi ingredienti".

Le emissioni radio sono generate da elettroni energetici accelerati nella corona, la calda atmosfera superiore del Sole. La fisica solare moderna si basa su osservazioni a molte lunghezze d'onda; l'imaging radiofonico li integra osservando direttamente l'accelerazione delle particelle che guida l'intero processo. Misurando lo spettro radio in diversi punti dell'atmosfera solare, soprattutto quando è in grado di farlo abbastanza velocemente da seguire i cambiamenti durante i brillamenti solari, diventa un potente strumento diagnostico dell'ambiente solare in rapida evoluzione durante queste eruzioni.

EOVSA, finanziato dalla National Science Foundation, è il primo strumento di imaging radio in grado di produrre immagini spettrali abbastanza velocemente, in un secondo, da seguire i rapidi cambiamenti che si verificano nei brillamenti solari. Questa capacità consente di misurare dinamicamente lo spettro radio in tutta la regione di flaring, per individuare la posizione dell'accelerazione delle particelle e mappare dove viaggiano queste particelle. Le immagini dei brillamenti solari alla maggior parte delle altre lunghezze d'onda mostrano solo le conseguenze del riscaldamento da parte delle particelle accelerate, mentre l'emissione radio può mostrare direttamente le particelle stesse.

"Uno dei grandi misteri della ricerca solare è capire come il Sole produca particelle ad altissima energia in così poco tempo, " Gary ha osservato. "Ma per rispondere a questa domanda, dobbiamo avere una diagnostica quantitativa sia delle particelle che dell'ambiente, specialmente il campo magnetico che è al centro del rilascio di energia. EOVSA lo rende possibile per la prima volta alle lunghezze d'onda radio".

Gary ha presentato le nuove scoperte di EOVSA questa settimana all'incontro Triennale Earth-Sun Summit (TESS), che riunisce la divisione di fisica solare dell'American Astronomical Society (AAS) e la sezione di fisica e aeronomia solare dell'American Geophysical Union (AGU).

"I nuovi risultati di EOVSA hanno suscitato molto interesse al meeting TESS, "ha detto Bin Chen, assistente professore di fisica al CSTR, che presiede una sessione incentrata sull'intensa attività solare avvenuta lo scorso settembre. "Un certo numero di esperti durante l'incontro ha commentato che questi risultati aggiungerebbero fondamentalmente nuove intuizioni alla comprensione del rilascio di energia e dell'accelerazione delle particelle nei brillamenti solari".

Tra le altre scoperte, gli scienziati dell'EOVSA hanno appreso che le emissioni radio in un brillamento sono distribuite su una regione molto più ampia di quanto precedentemente noto, indicando che le particelle ad alta energia vengono prontamente trasportate in gran numero attraverso la "bolla" del campo magnetico esplosivo chiamata espulsione di massa coronale (CME).

"Questo è importante perché le CME guidano le onde d'urto che accelerano ulteriormente le particelle pericolose per i veicoli spaziali, astronauti e persino persone in aeroplani che volano sulle rotte polari. Ad oggi, rimane un mistero come queste onde d'urto da sole accelerino le particelle, perché la fisica non è capita, " ha detto. "Una delle teorie è che le particelle di 'seme' devono essere presenti nella regione d'urto, che può generare le onde necessarie per un'ulteriore accelerazione. È stato a lungo ipotizzato che i razzi, che sono noti per accelerare le particelle, possono fornirli. Osservazioni precedenti, principalmente con i raggi X, mostrano sempre quelle particelle confinate ad altezze molto basse e non si è capito come tali particelle possano arrivare all'urto. Le immagini radio mostrano prove di particelle in una regione molto più ampia, dando loro più opportunità di accedere alla regione dello shock".

Le macchie solari sono il principale generatore di brillamenti solari, l'improvviso, potenti esplosioni di radiazioni elettromagnetiche e particelle cariche che esplodono nello spazio durante le esplosioni sulla superficie del Sole. Il loro movimento di rotazione provoca l'accumulo di energia che viene rilasciata sotto forma di bagliori.

EOVSA è stato progettato per realizzare immagini radio ad alta risoluzione di razzi (cadenza di 1 secondo), regioni di macchie solari (cadenza di 20 minuti), il pieno sole (pochi al giorno) e centinaia di frequenze su un'ampia banda di frequenze, rendendolo il primo strumento solare in grado di misurare lo spettro radio da punto a punto nella regione del flaring.

"Stiamo lavorando a una pipeline di calibrazione e imaging per generare automaticamente immagini a microonde osservate da EOVSA, e metterli a disposizione della comunità quotidianamente, " ha aggiunto Chen, che sta guidando lo sforzo del gasdotto EOVSA.

"La rivelazione più inaspettata finora da EOVSA è ciò che vediamo alle frequenze radio più basse, " Gary ha osservato. "Le osservazioni di razzi basati su alte frequenze radio e sulla base di osservazioni a raggi X mostrano un bagliore che è relativamente piccolo, regione compatta anche se vediamo prove di riscaldamento su un'area molto più ampia. Sebbene avessimo rare osservazioni del passato che sembravano mostrare grandi sorgenti radio, EOVSA ha ormai reso di routine l'immagine di grandi sorgenti radio che sono ancora più grandi a frequenze più basse".

Inizialmente, lui e i suoi colleghi non sono stati in grado di attingere a queste nuove regioni, però. Dopo che l'array è stato completato, si resero conto che le torri dei telefoni cellulari nella Owens Valley stavano causando livelli di interferenza a radiofrequenza molto più elevati del previsto. Di conseguenza, hanno progettato filtri "notch" in grado di tagliare le frequenze più colpite dalle torri cellulari.

"Questo è importante perché molti lampi radio solari interessanti si verificano nella gamma delle torri cellulari (1,9-2,2 GHz). Sono le frequenze più basse che mostrano meglio questo nuovo e non ben compreso fenomeno delle grandi sorgenti, " Gary ha detto. "In qualche modo, le particelle accelerate vengono trasportate in un volume della corona molto più grande di quanto pensassimo".

Con i nuovi finanziamenti della NASA, Gary e colleghi misureranno lo spettro radio spaziale risolto dei brillamenti solari, determinare i parametri delle particelle e del plasma in funzione della posizione e del tempo, e quindi utilizzare la modellazione tridimensionale, che il suo gruppo ha sviluppato, comprendere appieno l'accelerazione iniziale e il successivo trasporto di particelle ad alta energia.

Il Sole attraversa cicli di attività di 11 anni, e lo scorso anno potrebbe aver fornito gli ultimi bagliori che vedremo per i prossimi quattro o cinque anni, " ha detto Gary. "Per i prossimi anni, concentreremo i nostri sforzi sul miglioramento delle regioni di macchie solari attive e delle immagini dell'intero disco con l'array. Questa rappresentazione su una scala spaziale più ampia è più impegnativa, ma potrebbe essere altrettanto importante, poiché le caratteristiche su scala più ampia regolano l'influenza del Sole sull'atmosfera terrestre e sul vento solare".