Qualcosa di misterioso sta succedendo al Sole. A dispetto di ogni logica, la sua atmosfera diventa molto, tanto più caldo quanto più si estende dalla superficie ardente del Sole.

Temperature nella corona:tenue, strato più esterno dell'atmosfera solare - picco verso l'alto di 2 milioni di gradi Fahrenheit, mentre solo 1, 000 miglia sotto, la superficie sottostante bolle a un tiepido 10, 000 F. Come il Sole riesce a fare questa impresa rimane una delle più grandi domande senza risposta in astrofisica; gli scienziati lo chiamano il problema del riscaldamento coronale. Una nuova, missione storica, La sonda solare Parker della NASA, prevista per il lancio non prima dell'11 agosto 2018 - volerà attraverso la corona stessa, cercando indizi sul suo comportamento e offrendo agli scienziati la possibilità di risolvere questo mistero.

Dalla Terra, come lo vediamo alla luce visibile, l'apparizione del Sole - tranquilla, immutabile:smentisce la vita e il dramma della nostra stella più vicina. La sua superficie turbolenta è scossa da eruzioni e intense esplosioni di radiazioni, che scagliano materiale solare a velocità incredibili in ogni angolo del sistema solare. Questa attività solare può innescare eventi meteorologici spaziali che hanno il potenziale di interrompere le comunicazioni radio, danneggiare satelliti e astronauti, e nella loro forma più grave, interferire con le reti elettriche.

Sopra la superficie, la corona si estende per milioni di miglia e ribolle di plasma, i gas si surriscaldano a tal punto da separarsi in un flusso elettrico di ioni ed elettroni liberi. Infine, continua verso l'esterno come il vento solare, un flusso supersonico di plasma che permea l'intero sistema solare. E così, è che gli umani vivono bene all'interno dell'atmosfera estesa del nostro Sole. Comprendere appieno la corona e tutti i suoi segreti significa comprendere non solo la stella che alimenta la vita sulla Terra, ma anche, proprio lo spazio intorno a noi.

Un mistero di 150 anni

La maggior parte di ciò che sappiamo sulla corona è profondamente radicato nella storia delle eclissi solari totali. Prima di strumenti sofisticati e veicoli spaziali, l'unico modo per studiare la corona dalla Terra era durante un'eclissi totale, quando la Luna ostruisce il volto luminoso del Sole, rivelando l'ambiente circostante, corona più fioca.

La storia del problema del riscaldamento coronale inizia con una linea spettrale verde osservata durante un'eclissi totale del 1869. Poiché elementi diversi emettono luce a lunghezze d'onda caratteristiche, gli scienziati possono utilizzare gli spettrometri per analizzare la luce del Sole e identificarne la composizione. Ma la linea verde osservata nel 1869 non corrispondeva a nessun elemento conosciuto sulla Terra. Gli scienziati pensavano di aver scoperto un nuovo elemento, e lo chiamarono coronio.

Solo 70 anni dopo un fisico svedese scoprì che l'elemento responsabile dell'emissione è il ferro, surriscaldato al punto da essere ionizzato 13 volte, lasciandolo con solo la metà degli elettroni di un normale atomo di ferro. E qui sta il problema:gli scienziati hanno calcolato che livelli così elevati di ionizzazione richiederebbero temperature coronali di circa 2 milioni di gradi Fahrenheit, quasi 200 volte più calde della superficie.

Per decenni, questa linea verde apparentemente semplice è stata la Gioconda della scienza solare, scienziati sconcertanti che non riescono a spiegarne l'esistenza. Dall'identificazione della sua fonte, siamo arrivati ​​a capire che il puzzle è ancora più complesso di quanto non fosse apparso per la prima volta.

"Penso al problema del riscaldamento coronale come a un ombrello che copre un paio di problemi confusi correlati, "ha detto Justin Kasper, uno scienziato spaziale presso l'Università del Michigan ad Ann Arbor. Kasper è anche investigatore principale per SWEAP, abbreviazione di Solar Wind Electrons Alpha and Protons Investigation, una suite di strumenti a bordo della Parker Solar Probe. "Primo, come fa la corona a scaldarsi così velocemente? Ma la seconda parte del problema è che non si limita a iniziare, continua ad andare. E non solo il riscaldamento continua, ma elementi diversi vengono riscaldati a velocità diverse." È un intrigante suggerimento su cosa sta succedendo con il riscaldamento al sole.

Da quando ho scoperto la corona calda, scienziati e ingegneri hanno lavorato molto per comprenderne il comportamento. Hanno sviluppato potenti modelli e strumenti e lanciato veicoli spaziali che osservano il Sole 24 ore su 24. Ma anche i modelli più complessi e le osservazioni ad alta risoluzione possono spiegare solo parzialmente il riscaldamento coronale, e alcune teorie si contraddicono a vicenda. C'è anche il problema di studiare la corona da lontano.

Possiamo vivere nell'atmosfera espansiva del Sole, ma la corona e il plasma solare nello spazio vicino alla Terra differiscono notevolmente. Il lento vento solare impiega circa quattro giorni per percorrere 93 milioni di miglia e raggiungere la Terra o l'astronave che lo studia:un sacco di tempo per mescolarsi con altre particelle che sfrecciano nello spazio e perdere le sue caratteristiche distintive.

Studiare questa zuppa omogenea di plasma alla ricerca di indizi sul riscaldamento coronale è come cercare di studiare la geologia di una montagna, setacciando i sedimenti nel delta di un fiume migliaia di miglia a valle. Viaggiando verso la corona, Parker Solar Probe campiona le particelle appena riscaldate, rimuovendo le incertezze di un viaggio di 93 milioni di miglia e inviando sulla Terra le misurazioni più incontaminate della corona mai registrate.

"Tutto il nostro lavoro nel corso degli anni è culminato fino a questo punto:ci siamo resi conto che non potremo mai risolvere completamente il problema del riscaldamento coronale finché non inviamo una sonda per effettuare misurazioni nella corona stessa, " disse Nour Raouafi, Parker Solar Probe vice scienziato del progetto e fisico solare presso il Laboratorio di Fisica Applicata della Johns Hopkins University di Laurel, Maryland.

Viaggiare verso il Sole è un'idea più antica della stessa NASA, ma ci sono voluti decenni per progettare la tecnologia che rende possibile il suo viaggio. A quel tempo, gli scienziati hanno determinato esattamente di quali tipi di dati, e strumenti corrispondenti, hanno bisogno per completare un quadro della corona e rispondere a queste ultime domande scottanti.

Spiegare i segreti della corona

Parker Solar Probe metterà alla prova due teorie principali per spiegare il riscaldamento coronale. Gli strati esterni del Sole sono costantemente in ebollizione e ribolliscono di energia meccanica. Mentre massicce cellule di plasma carico si muovono attraverso il Sole, proprio come le bolle distinte rotolano attraverso una pentola di acqua bollente, il loro movimento fluido genera complessi campi magnetici che si estendono fino alla corona. In qualche modo, i campi aggrovigliati incanalano questa feroce energia nella corona sotto forma di calore:come lo fanno è ciò che ogni teoria tenta di spiegare.

Una teoria propone che le onde elettromagnetiche siano la radice del calore estremo della corona. Forse quel movimento bollente lancia onde magnetiche di una certa frequenza, chiamate onde di Alfvén, dal profondo del Sole verso la corona, che mandano in rotazione le particelle cariche e riscaldano l'atmosfera, un po' come le onde dell'oceano spingono e accelerano i surfisti verso la riva.

Un altro suggerisce esplosioni simili a bombe, chiamati nanoflares, attraverso la superficie del Sole riversa il calore nell'atmosfera solare. Come le loro controparti più grandi, brillamenti solari, si pensa che i nanoflare derivino da un processo esplosivo chiamato riconnessione magnetica. L'ebollizione turbolenta sul Sole torce e contorce le linee del campo magnetico, accumulando stress e tensione fino a quando non si spezzano in modo esplosivo, come rompere un elastico troppo avvolto, accelerando e riscaldando le particelle nella loro scia.

Le due teorie non si escludono necessariamente a vicenda. Infatti, per complicare le cose, molti scienziati pensano che entrambi possano essere coinvolti nel riscaldamento della corona. Qualche volta, Per esempio, la riconnessione magnetica che fa scattare un nanoflare potrebbe anche lanciare onde di Alfvén, che poi riscaldano ulteriormente il plasma circostante.

L'altra grande domanda è, con quale frequenza si verificano questi processi, costantemente o in burst distinti? Rispondere a ciò richiede un livello di dettaglio che non abbiamo a 93 milioni di miglia di distanza.

"Ci avviciniamo al riscaldamento, e ci sono volte in cui Parker Solar Probe co-ruoterà, o orbitano attorno al Sole alla stessa velocità con cui ruota il Sole stesso, "ha detto Eric Christian, uno scienziato spaziale presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, e membro del team scientifico della missione. "Questa è una parte importante della scienza. Passando sopra lo stesso punto, vedremo l'evoluzione del riscaldamento".

Scoprire le prove

Una volta che Parker Solar Probe arriva alla corona, come aiuterà gli scienziati a distinguere se le onde oi nanoflares guidano il riscaldamento? Mentre la navicella trasporta quattro suite di strumenti per una varietà di tipi di ricerca, due in particolare otterranno dati utili per risolvere il mistero del riscaldamento coronale:l'esperimento FIELDS e SWEAP.

Geometra di forze invisibili, CAMPI, guidato dall'Università della California, Berkeley, misura direttamente i campi elettrici e magnetici, per capire gli shock, onde ed eventi di riconnessione magnetica che riscaldano il vento solare.

SWEAP—guidato dall'Osservatorio Astrofisico Harvard-Smithsonian di Cambridge, Massachusetts, è la metà complementare dell'indagine, raccogliere dati sul plasma caldo stesso. Conta le particelle più abbondanti nel vento solare:elettroni, protoni e ioni di elio e misura la loro temperatura, quanto velocemente si muovono dopo che sono stati riscaldati, e in quale direzione.

Insieme, le due suite di strumenti dipingono un quadro dei campi elettromagnetici ritenuti responsabili del riscaldamento, così come le particelle solari appena riscaldate che turbinano attraverso la corona. La chiave del loro successo sono le misurazioni ad alta risoluzione, in grado di risolvere interazioni tra onde e particelle a semplici frazioni di secondo.

Parker Solar Probe piomberà entro 3,9 milioni di miglia dalla superficie del Sole e, sebbene questa distanza possa sembrare grande, il veicolo spaziale è ben posizionato per rilevare le firme del riscaldamento coronale. "Anche se gli eventi di riconnessione magnetica avvengono più in basso vicino alla superficie del Sole, la navicella vedrà il plasma subito dopo che si sono verificati, " ha detto la scienziata solare Goddard Nicholeen Viall. "Abbiamo la possibilità di infilare il nostro termometro proprio nella corona e guardare l'aumento della temperatura. Confrontalo con lo studio del plasma che è stato riscaldato quattro giorni fa dalla Terra, dove molte delle strutture 3D e delle informazioni sensibili al tempo vengono cancellate."

Questa parte della corona è un territorio completamente inesplorato, e gli scienziati si aspettano panorami diversi da qualsiasi cosa abbiano mai visto prima. Alcuni pensano che il plasma lì sarà sottile e tenue, come cirri. O forse apparirà come enormi strutture simili a scovolini che si irradiano dal sole.

"Sono abbastanza sicuro che quando avremo indietro quel primo round di dati, vedremo il vento solare a quote più basse vicino al Sole è pungente e impulsivo, " ha detto Stuart Bale, Università della California, Berkeley, astrofisico e ricercatore principale FIELDS. "Sposterei i miei soldi sul fatto che i dati siano molto più eccitanti di quelli che vediamo vicino alla Terra".

I dati sono abbastanza complicati - e provengono da più strumenti - che ci vorrà del tempo per gli scienziati per mettere insieme una spiegazione per il riscaldamento coronale. E poiché la superficie del Sole non è liscia e varia ovunque, Parker Solar Probe deve effettuare più passaggi sul Sole per raccontare l'intera storia. Ma gli scienziati sono fiduciosi che abbia gli strumenti per rispondere alle loro domande.

L'idea di base è che ogni meccanismo proposto per il riscaldamento ha una propria firma distinta. Se le onde di Alfvén sono la fonte del calore estremo della corona, FIELDS rileverà la loro attività. Poiché gli ioni più pesanti vengono riscaldati a velocità diverse, sembra che diverse classi di particelle interagiscano con quelle onde in modi specifici; SWEAP caratterizzerà le loro interazioni uniche.

Se i nanoflare sono responsabili, gli scienziati si aspettano di vedere getti di particelle accelerate fuoriuscire in direzioni opposte, un segno rivelatore di riconnessione magnetica esplosiva. Dove avviene la riconnessione magnetica, dovrebbero anche rilevare punti caldi in cui i campi magnetici cambiano rapidamente e riscaldano il plasma circostante.

Le scoperte ci attendono

C'è entusiasmo ed eccitazione tra gli scienziati solari:la missione di Parker Solar Probe segna un momento spartiacque nella storia dell'astrofisica, e hanno una reale possibilità di svelare i misteri che hanno confuso il loro campo per quasi 150 anni.

Mettendo insieme i meccanismi interni della corona, gli scienziati raggiungeranno una comprensione più profonda delle dinamiche che innescano gli eventi meteorologici spaziali, condizioni modellanti nello spazio vicino alla Terra. Ma le applicazioni di questa scienza si estendono anche oltre il sistema solare. Il Sole apre una finestra sulla comprensione di altre stelle, specialmente quelle che mostrano anche un riscaldamento simile al Sole, stelle che potrebbero potenzialmente favorire ambienti abitabili ma sono troppo lontane per essere mai studiate. E illuminare la fisica fondamentale dei plasmi potrebbe probabilmente insegnare agli scienziati molto su come si comportano i plasmi in altre parti dell'universo, come negli ammassi di galassie o attorno ai buchi neri.

È anche del tutto possibile che non abbiamo nemmeno concepito le più grandi scoperte a venire. È difficile prevedere come la risoluzione del riscaldamento coronale cambierà la nostra comprensione dello spazio intorno a noi, ma scoperte fondamentali come questa hanno la capacità di cambiare per sempre la scienza e la tecnologia. Il viaggio di Parker Solar Probe porta la curiosità umana in una regione mai vista prima del sistema solare, dove ogni osservazione è una potenziale scoperta.

"Sono quasi certo che scopriremo nuovi fenomeni di cui non sappiamo nulla ora, e questo è molto eccitante per noi, " Ha detto Raouafi. "Parker Solar Probe farà la storia aiutandoci a capire il riscaldamento coronale, così come l'accelerazione del vento solare e le particelle energetiche solari, ma penso che abbia anche il potenziale per guidare la direzione del futuro della fisica solare".