Nel 1610, Galileo ha ridisegnato il telescopio e ha scoperto le quattro lune più grandi di Giove. Quasi 400 anni dopo, Il telescopio spaziale Hubble della NASA ha utilizzato la sua potente ottica per guardare in profondità nello spazio, consentendo agli scienziati di stabilire l'età dell'universo.

Basti dire che guardare meglio le cose produce importanti progressi scientifici.

In un articolo pubblicato il 18 luglio su The Giornale Astrofisico , un team di scienziati guidati da Craig DeForest, fisico solare presso la filiale del Southwest Research Institute a Boulder, Colorado:dimostra che questa tendenza storica è ancora valida. Utilizzando algoritmi avanzati e tecniche di pulizia dei dati, la squadra ha scoperto mai prima rilevato, strutture a grana fine nella corona esterna, l'atmosfera di milioni di gradi del Sole, analizzando le immagini scattate dalla navicella spaziale STEREO della NASA. I nuovi risultati forniscono anche una prefigurazione di ciò che potrebbe essere visto dalla sonda solare Parker della NASA, che dopo il suo lancio nell'estate 2018 orbiterà direttamente attraverso quella regione.

La corona esterna è la fonte del vento solare, il flusso di particelle cariche che fluisce verso l'esterno dal Sole in tutte le direzioni. Misurato vicino alla Terra, i campi magnetici incorporati nel vento solare sono intrecciati e complessi, ma ciò che causa questa complessità rimane poco chiaro.

"Nello spazio profondo, il vento solare è turbolento e rafficato, " ha detto DeForest. "Ma come ha fatto ad arrivare in quel modo? Ha lasciato il sole liscio, e divenne turbolento mentre attraversava il sistema solare, o le raffiche ci raccontano del Sole stesso?"

Rispondere a questa domanda richiede l'osservazione della corona esterna, la fonte del vento solare, nei minimi dettagli. Se il Sole stesso provoca la turbolenza nel vento solare, allora dovremmo essere in grado di vedere strutture complesse fin dall'inizio del viaggio del vento.

Ma i dati esistenti non mostravano una struttura così fine, almeno fino ad ora.

"Le immagini precedenti della corona mostravano la regione come una superficie liscia, struttura laminare, "ha detto Nicki Viall, fisico solare presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, e coautore dello studio. "Si scopre, quell'apparente fluidità era dovuta solo ai limiti della nostra risoluzione dell'immagine."

Lo studio

Per capire la corona, DeForest e i suoi colleghi hanno iniziato con immagini coronografiche, immagini dell'atmosfera solare prodotte da uno speciale telescopio che blocca la luce dalla superficie (molto più luminosa).

Queste immagini sono state generate dal coronografo COR2 a bordo del Solar and Terrestrial Relations Observatory-A della NASA, o STEREO-A, navicella spaziale, che circonda il Sole tra la Terra e Venere.

Ad aprile 2014, STEREO-A sarebbe presto passato dietro il Sole, e gli scienziati volevano ottenere alcuni dati interessanti prima che le comunicazioni venissero interrotte brevemente.

Quindi hanno condotto una speciale campagna di raccolta dati di tre giorni durante la quale COR2 ha avuto esposizioni della corona più lunghe e frequenti del solito. Queste lunghe esposizioni lasciano più tempo alla luce proveniente da fonti deboli per colpire il rilevatore dello strumento, permettendogli di vedere dettagli che altrimenti non avrebbero notato.

Ma gli scienziati non volevano solo immagini con un'esposizione più lunga, volevano che avessero una risoluzione più alta. Le opzioni erano limitate. Lo strumento era già nello spazio; a differenza di Galileo, non potevano armeggiare con l'hardware stesso. Anziché, hanno adottato un approccio software, spremere i dati della massima qualità possibile migliorando il rapporto segnale-rumore di COR2.

Che cos'è il rapporto segnale-rumore?

Il rapporto segnale-rumore è un concetto importante in tutte le discipline scientifiche. Misura quanto bene riesci a distinguere ciò che ti interessa misurare, il segnale, da ciò che non ti interessa, il rumore.

Per esempio, diciamo che sei benedetto con un grande udito. Si nota il più piccolo squittio di topo a tarda notte; puoi origliare i sussurri di scolari rannicchiati a sei metri di distanza. Il tuo udito è impeccabile, quando il rumore è basso.

Ma è tutta un'altra cosa quando sei in prima fila a un concerto rock. Gli altri suoni nell'ambiente sono semplicemente troppo opprimenti; non importa con quanta attenzione ascolti, squittii e sussurri di topo (il segnale, in questo caso) non riesce a tagliare la musica (il rumore).

Il problema non è il tuo udito, è lo scarso rapporto segnale-rumore.

I coronografi di COR2 sono come il tuo udito. Lo strumento è abbastanza sensibile da visualizzare la corona in modo molto dettagliato, ma in pratica le sue misurazioni sono inquinate dal rumore, dall'ambiente spaziale e persino dal cablaggio dello strumento stesso. L'innovazione chiave di DeForest e dei suoi colleghi consisteva nell'identificare e separare quel rumore, aumentando il rapporto segnale-rumore e rivelando la corona esterna con dettagli senza precedenti.

Le analisi

Il primo passo verso il miglioramento del rapporto segnale-rumore era già stato fatto:immagini a più lunga esposizione. Esposizioni più lunghe consentono più luce nel rilevatore e riducono il livello di rumore:il team stima la riduzione del rumore di un fattore di 2,4 per ogni immagine, e un fattore 10 quando li si combina in un periodo di 20 minuti.

Ma i passaggi rimanenti spettavano a sofisticati algoritmi, progettato e testato per estrarre la vera corona dalle misurazioni rumorose.

Hanno filtrato la luce dalle stelle di sfondo (che creano punti luminosi nell'immagine che non fanno veramente parte della corona). Hanno corretto le piccole differenze (pochi millisecondi) nel tempo di apertura dell'otturatore della fotocamera. Hanno rimosso la luminosità della linea di base da tutte le immagini, e lo ha normalizzato in modo che le regioni più luminose non cancellassero quelle più deboli.

Ma uno degli ostacoli più impegnativi è inerente alla corona:il motion blur dovuto al vento solare. Per superare questa fonte di rumore, DeForest e colleghi hanno eseguito uno speciale algoritmo per uniformare le immagini nel tempo.

Levigare nel tempo, con una svolta

Se hai mai fatto un "doppio giro, " Sai una o due cose sullo smussare il tempo. Un doppio sguardo, dando una seconda occhiata, per verificare il tuo primo, è solo un modo low-tech di combinare due "misure" prese in momenti diversi, in una misura in cui puoi essere più sicuro.

Il livellamento nel tempo trasforma questa idea in un algoritmo. Il principio è semplice:scatta due (o più) immagini, sovrapporli, e media i loro valori di pixel insieme. Le differenze casuali tra le immagini alla fine si annulleranno, lasciando solo ciò che è coerente tra loro.

Ma quando si tratta della corona, c'è un problema:è una dinamica, struttura in continuo movimento e cambiamento. Il materiale solare si allontana sempre dal Sole per diventare il vento solare. Lo smoothing nel tempo creerebbe motion blur, lo stesso tipo di sfocatura che vedi nelle fotografie di oggetti in movimento. Questo è un problema se il tuo obiettivo è vedere i dettagli precisi.

Per annullare il motion blur dal vento solare, gli scienziati hanno usato una nuova procedura:mentre facevano il loro livellamento, hanno stimato la velocità del vento solare e hanno spostato le immagini insieme ad esso.

Per capire come funziona questo approccio, pensa a scattare istantanee dell'autostrada mentre passano le auto. Se hai semplicemente sovrapposto le tue immagini, il risultato sarebbe un grande pasticcio sfocato:troppo è cambiato tra ogni istantanea.

Ma se potessi capire la velocità del traffico e spostare le tue immagini per seguirlo, improvvisamente i dettagli di auto specifiche sarebbero diventati visibili.

Per DeForest e i suoi coautori, le auto erano le strutture in scala fine della corona, e il traffico dell'autostrada era il vento solare.

Ovviamente non ci sono segnali di limite di velocità nella corona per dirti quanto velocemente si stanno muovendo le cose. Per capire esattamente di quanto spostare le immagini prima della media, hanno scansionato le immagini pixel per pixel, correlandoli tra loro per calcolare quanto fossero simili. Alla fine hanno trovato il punto debole, dove le parti sovrapposte delle immagini erano il più simili possibile. La quantità di spostamento corrispondeva a una velocità media del vento solare di circa 136 miglia al secondo. Spostando ogni immagine di quella quantità, hanno allineato le immagini e levigato, o li media insieme.

"Abbiamo levigato, non solo nello spazio, non solo in tempo, ma in un sistema di coordinate in movimento, " Ha detto DeForest. "Questo ci ha permesso di creare un motion blur determinato non dalla velocità del vento, ma da quanto rapidamente le caratteristiche sono cambiate nel vento."

Ora DeForest e i suoi collaboratori avevano immagini di alta qualità della corona e un modo per dire quanto stesse cambiando nel tempo.

I risultati

La scoperta più sorprendente non era una struttura fisica specifica:era la semplice presenza di una struttura fisica in sé e per sé.

Rispetto alla dinamica, turbolenta corona interna, gli scienziati avevano considerato la corona esterna liscia e omogenea. Ma quella fluidità era solo un artefatto di uno scarso rapporto segnale-rumore:

"Quando abbiamo rimosso più rumore possibile, ci siamo resi conto che la corona è strutturata, fino alla risoluzione ottica dello strumento, " ha detto DeForest.

Come i singoli fili d'erba che vedi solo quando sei da vicino, la complessa struttura fisica della corona è stata rivelata con dettagli senza precedenti. E tra quel dettaglio fisico, sono emersi tre risultati chiave.

La struttura delle stelle filanti coronali

Stelle filanti coronali, note anche come stelle filanti del casco, perché assomigliano all'elmo a punta di un cavaliere:sono strutture luminose che si sviluppano su regioni del Sole con una maggiore attività magnetica. Facilmente osservato durante le eclissi solari, i circuiti magnetici sulla superficie del Sole sono allungati fino a punte appuntite dal vento solare e possono eruttare in espulsioni di massa coronale, o ECM, le grandi esplosioni di materia che espellono parti del Sole nello spazio circostante.

L'elaborazione delle osservazioni STEREO da parte di DeForest e dei suoi coautori rivela che gli stessi streamer sono molto più strutturati di quanto si pensasse in precedenza.

"Quello che abbiamo scoperto è che non esiste una cosa come un singolo streamer, " Ha detto DeForest. "Gli stessi streamer sono composti da una miriade di sottili fili che insieme producono una media per produrre una caratteristica più luminosa".

La zona di Alfvén

Dove finisce la corona e inizia il vento solare? Una definizione indica la superficie di Alfvén, un confine teorico in cui il vento solare inizia a muoversi più velocemente di quanto le onde possano viaggiare all'indietro attraverso di esso. In questa regione di confine, i disturbi che si verificano in un punto più lontano nel materiale solare in viaggio non possono mai tornare indietro abbastanza velocemente da raggiungere il Sole.

"Il materiale che fuoriesce dalla superficie di Alfvén è perso per sempre nel Sole, " ha detto DeForest.

I fisici hanno creduto a lungo che la superficie di Alfvén fosse proprio questo:una superficie, o strato simile a un foglio in cui il vento solare ha raggiunto improvvisamente una velocità critica. Ma non è quello che hanno scoperto DeForest e colleghi.

"Quello che concludiamo è che non c'è una superficie Alfvén pulita, " DeForest ha detto. "C'è un'ampia 'terra di nessuno' o 'zona Alfvén' dove il vento solare si disconnette gradualmente dal Sole, piuttosto che un unico confine chiaro."

Le osservazioni rivelano un quadro frammentario in cui, ad una data distanza dal Sole, un po' di plasma si sta muovendo abbastanza velocemente da fermare la comunicazione all'indietro, e i ruscelli vicini no. I ruscelli sono abbastanza vicini, e abbastanza bene, confondere il confine naturale della superficie di Alfvén per creare un ampio, regione parzialmente disconnessa tra la corona e il vento solare.

Un mistero a 10 raggi solari

Ma lo sguardo ravvicinato alla struttura coronale ha anche sollevato nuove domande.

La tecnica utilizzata per stimare la velocità del vento solare ha individuato le altitudini, o distanze dalla superficie del Sole, dove le cose stavano cambiando rapidamente. Ed è allora che la squadra ha notato qualcosa di divertente.

"Abbiamo scoperto che esiste una correlazione minima intorno a 10 raggi solari, " ha detto DeForest.

A una distanza di 10 raggi solari, anche le immagini back-to-back hanno smesso di corrispondere bene. Ma sono tornati più simili a distanze maggiori, il che significa che non si tratta solo di allontanarsi dal Sole. È come se le cose cambiassero improvvisamente quando raggiungono i 10 raggi solari.

"Il fatto che la correlazione sia più debole a 10 raggi solari significa che la fisica interessante sta accadendo lì intorno, " DeForest ha detto. "Non sappiamo ancora cosa sia, ma sappiamo che sarà interessante".

Dove andiamo da qui?

I risultati creano progressi in un dibattito di lunga data sulla fonte della complessità del vento solare. Mentre le osservazioni STEREO non risolvono la questione, la metodologia del team apre un anello mancante nella catena sole-vento solare.

"Vediamo tutta questa variabilità nel vento solare appena prima che colpisca la magnetosfera terrestre, e uno dei nostri obiettivi era chiederci se fosse anche possibile che la variabilità si fosse formata al Sole. Si scopre che la risposta è sì, " ha detto Viale.

"Ci consente per la prima volta di sondare davvero la connettività attraverso la corona e regolare il modo in cui pensiamo che il campo magnetico si aggrovigli nella corona rispetto al vento solare, " Ha aggiunto DeForest.

Queste prime osservazioni forniscono anche informazioni chiave su ciò che troverà la prossima sonda solare Parker della NASA, come la prima missione in assoluto a raccogliere misurazioni dall'interno della corona solare esterna. Quella navicella spaziale viaggerà a una distanza di 8,86 raggi solari, proprio nella regione dove si possono trovare cose interessanti. I risultati di DeForest e colleghi consentono loro di fare previsioni su ciò che Parker Solar Probe potrebbe osservare in questa regione.

"Dovremmo aspettarci forti fluttuazioni di densità, fluttuazioni magnetiche e riconnessione ovunque, e nessuna superficie Alfvén ben definita, " ha detto DeForest.

Completato dalle misurazioni in situ di Parker Solar Probe, l'imaging a lunga esposizione e gli algoritmi di riduzione del rumore diventeranno ancora più preziosi per la nostra comprensione della nostra stella più vicina.