Mason ha cercato la pioggia coronale in stelle filanti dell'elmo come quella che appare sul lato sinistro di questa immagine, scattata durante l'eclissi del 1994 vista dal Sud America. Uno pseudostreamer più piccolo appare sull'arto occidentale (lato destro dell'immagine). Chiamato per la loro somiglianza con l'elmo a punta di un cavaliere, le stelle filanti del casco si estendono lontano nella debole corona del sole e sono più facilmente visibili quando la luce proveniente dalla superficie luminosa del sole è occlusa. Crediti:© 1994 Osservatorio Úpice e Vojtech Rušin, © 2007 Miloslav Druckmuller
Per cinque mesi a metà 2017, Emily Mason faceva la stessa cosa ogni giorno. Arrivando al suo ufficio al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, si è seduta alla sua scrivania, ha aperto il suo computer, e fissavo le immagini del Sole, tutto il giorno, ogni giorno. "Probabilmente ho esaminato tre o cinque anni di dati, " Mason stimò. Poi, nell'ottobre 2017, si è fermata. Si rese conto che aveva sempre guardato la cosa sbagliata.
Muratore, uno studente laureato presso la Catholic University of America a Washington, DC, cercava la pioggia coronale:giganteschi globi di plasma, o gas elettrificato, che gocciolano dall'atmosfera esterna del Sole sulla sua superficie. Ma si aspettava di trovarlo nelle stelle filanti del casco, i circuiti magnetici alti milioni di miglia, così chiamati per la loro somiglianza con l'elmo a punta di un cavaliere, che possono essere visti sporgere dal Sole durante un'eclissi solare. Le simulazioni al computer hanno previsto che la pioggia coronale potrebbe essere trovata lì. Osservazioni del vento solare, il gas che fuoriesce dal Sole e fuori nello spazio, ha suggerito che potrebbe essere la pioggia. E se solo potesse trovarlo, la fisica sottostante alla produzione della pioggia avrebbe importanti implicazioni per il mistero di 70 anni del perché l'atmosfera esterna del Sole, noto come corona, è molto più caldo della sua superficie. Ma dopo quasi mezzo anno di ricerche, Mason non riusciva a trovarlo. "C'era molto da guardare, "Masone ha detto, "per qualcosa che alla fine non è mai successo."
Il problema, si è scoperto, non era quello che stava cercando, ma dove. In un articolo pubblicato oggi su Lettere per riviste astrofisiche , Mason e i suoi coautori descrivono le prime osservazioni di pioggia coronale in un piccolo, tipo di anello magnetico precedentemente trascurato sul Sole. Dopo un lungo, ricerca tortuosa nella direzione sbagliata, i risultati creano un nuovo legame tra il riscaldamento anomalo della corona e la fonte del lento vento solare, due dei più grandi misteri che la scienza solare deve affrontare oggi.
Come piove al sole
Osservato attraverso i telescopi ad alta risoluzione montati sulla navicella spaziale SDO della NASA, il Sole, una palla di plasma incandescente, brulicante di linee di campo magnetico tracciate da giganti, anelli infuocati:sembra avere poche somiglianze fisiche con la Terra. Ma il nostro pianeta natale fornisce alcune utili guide per analizzare il caotico tumulto del Sole:tra queste, piovere.
Sulla terra, la pioggia è solo una parte del più ampio ciclo dell'acqua, un tiro alla fune senza fine tra la spinta del calore e l'attrazione della gravità. Inizia quando l'acqua liquida, raggruppati sulla superficie del pianeta negli oceani, laghi, o flussi, è riscaldato dal sole. Una parte di essa evapora e sale nell'atmosfera, dove si raffredda e si condensa in nuvole. Infine, quelle nuvole diventano abbastanza pesanti che l'attrazione della gravità diventa irresistibile e l'acqua ricade sulla Terra come pioggia, prima che il processo ricominci.
Sul Sole, Massone ha detto, la pioggia coronale funziona in modo simile, "ma invece di un'acqua a 60 gradi hai a che fare con un plasma da un milione di gradi." Plasma, un gas caricato elettricamente, non ristagna come l'acqua, ma invece traccia le spire magnetiche che emergono dalla superficie del Sole come un ottovolante sui binari. Ai piedi del ciclo, dove si attacca alla superficie del Sole, il plasma viene surriscaldato da poche migliaia a oltre 1,8 milioni di gradi Fahrenheit. Quindi espande il ciclo e si raccoglie al suo apice, lontano dalla fonte di calore. Quando il plasma si raffredda, si condensa e la gravità lo attira lungo le gambe dell'anello come pioggia coronale.
Mason stava cercando la pioggia coronale in stelle filanti del casco, ma la sua motivazione per cercare lì aveva più a che fare con questo ciclo di riscaldamento e raffreddamento sottostante che con la pioggia stessa. Almeno dalla metà degli anni '90, gli scienziati hanno saputo che le stelle filanti del casco sono una fonte del vento solare lento, un relativamente lento, denso flusso di gas che sfugge al Sole separatamente dalla sua controparte in rapido movimento. Ma le misurazioni del gas del vento solare lento hanno rivelato che un tempo era stato riscaldato a un livello estremo prima di raffreddarsi e sfuggire al Sole. Il processo ciclico di riscaldamento e raffreddamento dietro la pioggia coronale, se stava accadendo all'interno delle stelle filanti del casco, sarebbe un pezzo del puzzle.
pioggia coronale, come quello mostrato in questo film dall'SDO della NASA nel 2012, a volte si osserva dopo eruzioni solari, quando l'intenso riscaldamento associato a un brillamento solare si interrompe bruscamente dopo l'eruzione e il plasma rimanente si raffredda e ricade sulla superficie solare. Mason stava cercando la pioggia coronale non associata alle eruzioni, ma invece causato da un processo ciclico di riscaldamento e raffreddamento simile al ciclo dell'acqua sulla Terra. Crediti:Crediti:Solar Dynamics Observatory/Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman della NASA, Animatore principale
L'altra ragione è collegata al problema del riscaldamento coronale:il mistero di come e perché l'atmosfera esterna del Sole è circa 300 volte più calda della sua superficie. Sorprendentemente, le simulazioni hanno mostrato che la pioggia coronale si forma solo quando il calore viene applicato alla parte inferiore del circuito. "Se un anello ha pioggia coronale su di esso, ciò significa che il 10% inferiore di esso, o meno, è dove sta avvenendo il riscaldamento coronale, " disse Mason. I cappi piovosi forniscono una canna per misurare, un punto di interruzione per determinare dove si riscalda la corona. Iniziare la loro ricerca nei circuiti più grandi che potevano trovare - stelle filanti giganti dell'elmo - sembrava un obiettivo modesto, e uno che massimizzi le loro possibilità di successo.
Aveva i dati migliori per il lavoro:immagini scattate dal Solar Dynamics Observatory della NASA, o SDO, un veicolo spaziale che ha fotografato il Sole ogni dodici secondi dal suo lancio nel 2010. Ma dopo quasi sei mesi di ricerca, Mason non aveva ancora notato una sola goccia di pioggia in uno streamer da elmo. Aveva, però, notato una sfilza di minuscole strutture magnetiche, quelli che non conosceva. "Erano davvero brillanti e continuavano ad attirare il mio sguardo, " disse Mason. "Quando finalmente ho dato un'occhiata a loro, abbastanza sicuro che avevano decine di ore di pioggia alla volta."
All'inizio, Mason era così concentrato sulla sua ricerca di streamer di elmetti che non ha fatto nulla delle osservazioni. "È venuta alla riunione del gruppo e ha detto:"Non l'ho mai trovato, lo vedo sempre in queste altre strutture, ma non sono stelle filanti del casco, '", ha detto Nicholeen Viall, uno scienziato solare a Goddard, e coautore del documento. "E io dissi, 'Aspetta... aspetta. Dove lo vedi? Non credo che nessuno l'abbia mai visto prima!'"
Un'asta di misurazione per il riscaldamento
Queste strutture differivano dagli streamer del casco in diversi modi. Ma la cosa più sorprendente di loro era la loro dimensione.
"Questi loop erano molto più piccoli di quello che stavamo cercando, " disse Spiro Antiochos, che è anche un fisico solare a Goddard e coautore dell'articolo. "Quindi questo ti dice che il riscaldamento della corona è molto più localizzato di quanto pensassimo".
Sebbene i risultati non dicano esattamente come viene riscaldata la corona, "spingono verso il basso il pavimento del punto in cui potrebbe verificarsi il riscaldamento coronale, " disse Mason. Aveva trovato anelli di pioggia che erano circa 30, 000 miglia di altezza, appena il due percento dell'altezza di alcune delle stelle filanti del casco che stava cercando originariamente. E la pioggia condensa la regione in cui può avvenire il riscaldamento coronale chiave. "Ancora non sappiamo esattamente cosa sta riscaldando la corona, ma sappiamo che deve accadere in questo livello, " disse Massone.
L'articolo di Mason ha analizzato tre osservazioni di Raining Null-Point Topologies, o RNTP, una struttura magnetica precedentemente trascurata mostrata qui in due lunghezze d'onda della luce ultravioletta estrema. La pioggia coronale osservata in questi circuiti magnetici relativamente piccoli suggerisce che la corona possa essere riscaldata all'interno di una regione molto più ristretta di quanto previsto in precedenza. Credito:Solar Dynamics Observatory della NASA/Emily Mason
Una nuova fonte per il vento solare lento
Ma una parte delle osservazioni non concordava con le teorie precedenti. Secondo l'attuale comprensione, la pioggia coronale si forma solo su anelli chiusi, dove il plasma può raccogliersi e raffreddarsi senza alcuna via di fuga. Ma mentre Mason vagliava i dati, ha trovato casi in cui la pioggia si stava formando su linee di campo magnetico aperte. Ancorato al Sole ad una sola estremità, l'altra estremità di queste linee di campo aperto immesse nello spazio, e il plasma lì potrebbe sfuggire nel vento solare. Per spiegare l'anomalia, Mason e il team hanno sviluppato una spiegazione alternativa, che collegasse la pioggia su queste minuscole strutture magnetiche alle origini del lento vento solare.
Nella nuova spiegazione, il plasma che piove inizia il suo viaggio a circuito chiuso, ma passa, attraverso un processo noto come riconnessione magnetica, a uno aperto. Il fenomeno si verifica frequentemente sul Sole, quando un circuito chiuso urta una linea in campo aperto e il sistema si ricabla. Ad un tratto, il plasma surriscaldato sul circuito chiuso si trova su una linea di campo aperto, come un treno che ha cambiato binario. Parte di quel plasma si espanderà rapidamente, raffreddare, e ricadono al Sole come pioggia coronale. Ma altre parti sfuggiranno, formando, sospettano, una parte del lento vento solare.
Mason sta attualmente lavorando a una simulazione al computer della nuova spiegazione, ma spera anche che le prossime prove osservative possano confermarlo. Ora che Parker Solar Probe, lanciato nel 2018, sta viaggiando più vicino al Sole di qualsiasi altra navicella spaziale prima di esso, può volare attraverso raffiche di vento solare lento che può essere fatto risalire al Sole, potenzialmente, a uno degli eventi di pioggia coronale di Mason. Dopo aver osservato la pioggia coronale su una linea di campo aperto, il plasma in uscita, fuggendo al vento solare, sarebbe normalmente perso ai posteri. Ma non più. "Potenzialmente possiamo fare quel collegamento con Parker Solar Probe e dire, era così, " disse Viall.
Scavando tra i dati
Per quanto riguarda la ricerca della pioggia coronale negli streamer del casco? La ricerca continua. Le simulazioni parlano chiaro:la pioggia dovrebbe esserci. "Forse è così piccolo che non lo vedi?" disse Antioco. "Davvero non lo sappiamo."
Ma poi di nuovo, se Mason avesse trovato quello che stava cercando, forse non avrebbe fatto la scoperta, o avrebbe passato tutto quel tempo a imparare i dettagli dei dati solari.
"Sembra uno sgobbone, ma onestamente è la mia cosa preferita, " ha detto Mason. "Voglio dire, è per questo che abbiamo costruito qualcosa che prende così tante immagini del Sole:così possiamo guardarle e capirlo."
