Sebbene la fisica solare sia una delle branche più mature dell'astrofisica, il sole pone i ricercatori di fronte a un gran numero di problemi fondamentali in sospeso. Questi problemi includono la determinazione della struttura e della dinamica dell'atmosfera solare, l'evoluzione del campo magnetico nella cromosfera e nella corona, riscaldamento coronale, la fisica del rilascio di energia impulsiva, accelerazione e trasporto di particelle energetiche, la fisica delle espulsioni di massa coronale (CME) e degli shock, così come l'origine solare dei driver meteorologici spaziali.

Lo Square Kilometer Array (SKA) sarà il più grande radiotelescopio mai costruito, con l'obiettivo di fornire un'area di raccolta maggiore di 1 km ² . Lo strumento sarà costruito in due fasi, noto come SKA1 e SKA2. SKA1 corrisponderà a circa il 10% dell'area di raccolta finale, e la sua implementazione inizierà nel 2020 mentre le attività di commissioning dovrebbero iniziare nel 2024. SKA2 corrisponderà al sistema finale completo e la sua costruzione inizierà, soggetto alle prestazioni di SKA1, dopo il 2030.

Lo SKA1 sarà composto da due array, SKA1-LOW e SKA1-MID, che sarà costruito in Australia e Sud Africa, rispettivamente. La configurazione prevista dei due array è presentata in Fig. 1. Le linee di base massime degli array saranno circa 65 km per SKA1-LOW e circa 150 km per SKA1-MID.

Lo SKA1-LOW osserverà da ~50 a 350 MHz e includerà circa 131, 000 semplici antenne disposte in stazioni di 100 m di diametro ciascuna contenente 90 antenne a doppia polarizzazione. In ogni stazione il segnale di tutte le antenne sarà aggiunto in fase, permettendo la formazione di un "array di aperture" (vedi Fig. 2, sinistra). La separazione tra le stazioni aumenterà dalla parte centrale dell'array verso il suo bordo esterno, raggiungendo diversi chilometri lì. Lo SKA1-MID osserverà nella gamma da 350 MHz a 15,3 GHz che sarà divisa in tre bande di frequenza. L'array includerà 133 parabole di 15 m di diametro (vedi Fig. 2, a destra) e incorporerà anche le 64 parabole da 13,5 m di diametro dell'array MeerKAT.

Lo SKA condurrà due tipi di osservazioni, imaging interferometrico e beamforming. Tutte le osservazioni di immagini interferometriche saranno spettroscopiche. Per un dato sottoarray operante in ''modo interferometrico, " ogni coppia di stazioni sarà correlata in modo incrociato per fornire visibilità a polarizzazione completa attraverso la larghezza di banda e il numero di canali richiesti. Nella "modalità beamforming" ogni sottoarray può formare diversi fasci di array collegati ed elaborare i dati per ciascun raggio in modo indipendente.

Osservazioni solari con lo SKA

Gli scienziati interessati a utilizzare lo SKA per le loro ricerche hanno formato "Gruppi di lavoro scientifici" (SWG). Uno di questi è il solare, Eliosferico e Ionosferico (SHI) SWG. Ha più di 60 membri da quattro continenti e 20 paesi, ed è attualmente presieduto da E.P. Kontar (Glasgow) e D. Oberoi (Pune). Gli interessi scientifici dello SHI SWG includono il sole tranquillo, regioni attive non flaring, brillamenti solari, ECM, il vento solare, il sistema Sole-Terra, e la ionosfera. Il gruppo SHI ha stabilito che sia SKA1-LOW che SKA1-MID saranno in grado di osservare il sole sia in modalità di imaging interferometrico che in modalità beamforming.

La fisica solare trarrà enormi benefici dallo spiegamento di SKA1 perché il suo angolo senza precedenti, spettrale, e risoluzione temporale, così come la sensibilità forniranno importanti nuove intuizioni su molti importanti problemi di fisica solare. I dettagli sulle questioni aperte sulla radioastronomia solare e su come le osservazioni SKA rilevanti possono portare a risultati di natura trasformativa sono discussi in Nindos et al. (2019). Un breve riassunto è il seguente.

Le osservazioni della corona non esplosiva consentiranno ai ricercatori di sondarne la struttura e l'evoluzione con dettagli senza precedenti. La rilevazione di numerosi eventi transitori deboli potrebbe facilitare la derivazione di stime affidabili sul loro contributo al riscaldamento coronale nell'ambito del modello nanoflare.

Un risultato molto importante delle osservazioni di SKA1 saranno le misurazioni dirette e indirette del campo magnetico ad altezze inaccessibili ad altri strumenti. Le misure possono essere utilizzate sia per il calcolo dei bilanci energetici magnetici liberi sia per la diagnosi del campo magnetico delle regioni attive, anelli svasati, ed ECM.

Le osservazioni di SKA1 forniranno una visione completa delle emissioni coerenti e incoerenti che sono intimamente correlate all'accelerazione degli elettroni, dell'emissione di girosincrotrone da elettroni precipitanti e intrappolati in circuiti flaring, nonché di ECM, shock, e fenomeni correlati. Queste osservazioni hanno il potenziale per fornire importanti progressi nell'affrontare questioni chiave di fisica solare su:(1) la posizione e la configurazione magnetica del sito di accelerazione degli elettroni; (2) il/i meccanismo/i responsabile/i dell'accelerazione delle particelle; (3) il rapporto flare-CME; (4) la tempistica e l'evoluzione delle CME dalle prime fasi di sviluppo fino alla corona esterna; (5) i driver degli shock coronali, nonché le posizioni e l'efficienza dell'accelerazione degli elettroni da parte degli shock; e (6) l'origine dei SEP.

Finalmente, Le osservazioni di SKA1 avranno anche una forte componente eliosferica perché potrebbero fornire vincoli alla turbolenza e alle onde nel vento solare (vedi Nakariakov et al. 2015, per dettagli).

Soprattutto, come sempre accade con i nuovi strumenti che superano in modo significativo i loro predecessori, è l'alta probabilità di nuove scoperte che non possono ancora essere previste. Questa entusiasmante prospettiva è ulteriormente rafforzata dalla disponibilità di attività sinergiche tra lo SKA e la nuova generazione di strumenti solari terrestri e spaziali.