Ad agosto 2018, La sonda solare Parker della NASA lanciata nello spazio, diventando presto la navicella spaziale più vicina al Sole. Con strumenti scientifici all'avanguardia per misurare l'ambiente intorno al veicolo spaziale, Parker Solar Probe ha completato tre dei 24 passaggi pianificati attraverso parti mai esplorate dell'atmosfera solare, la corona. Il 4 dicembre 2019, quattro nuovi articoli sulla rivista Natura descrivi ciò che gli scienziati hanno imparato da questa esplorazione senza precedenti della nostra stella e ciò che non vedono l'ora di imparare in seguito.

Questi risultati rivelano nuove informazioni sul comportamento del materiale e delle particelle che si allontanano rapidamente dal Sole, avvicinando gli scienziati a rispondere a domande fondamentali sulla fisica della nostra stella. Nella ricerca per proteggere gli astronauti e la tecnologia nello spazio, le informazioni che Parker ha scoperto su come il Sole espelle costantemente materiale ed energia aiuterà gli scienziati a riscrivere i modelli che usiamo per comprendere e prevedere il clima spaziale intorno al nostro pianeta e comprendere il processo mediante il quale le stelle vengono create ed evolvono.

"Questi primi dati di Parker rivelano la nostra stella, il Sole, in modi nuovi e sorprendenti, " ha detto Thomas Zurbuchen, amministratore associato per la scienza presso la sede della NASA a Washington. "Osservare il Sole da vicino piuttosto che da una distanza molto maggiore ci offre una visione senza precedenti di importanti fenomeni solari e di come ci influenzano sulla Terra, e ci fornisce nuove intuizioni rilevanti per la comprensione delle stelle attive nelle galassie. È solo l'inizio di un periodo incredibilmente eccitante per l'eliofisica con Parker all'avanguardia di nuove scoperte".

Anche se può sembrare placido qui sulla Terra, il Sole è tutt'altro che tranquillo. La nostra stella è magneticamente attiva, scatenando potenti esplosioni di luce, diluvi di particelle che si muovono alla velocità della luce e nuvole di miliardi di tonnellate di materiale magnetizzato. Tutta questa attività colpisce il nostro pianeta, iniettando particelle dannose nello spazio in cui volano i nostri satelliti e astronauti, interrompere le comunicazioni e i segnali di navigazione, e persino, quando è intenso, che provoca interruzioni di corrente. È successo per l'intera vita di 5 miliardi di anni del Sole, e continuerà a plasmare i destini della Terra e degli altri pianeti nel nostro sistema solare nel futuro.

"Il Sole ha affascinato l'umanità per tutta la nostra esistenza, " ha detto Nour E. Raouafi, scienziato del progetto per Parker Solar Probe presso il Johns Hopkins Applied Physics Laboratory di Laurel, Maryland, che ha costruito e gestisce la missione per la NASA. "Abbiamo imparato molto sulla nostra stella negli ultimi decenni, ma avevamo davvero bisogno di una missione come Parker Solar Probe per entrare nell'atmosfera del Sole. È solo lì che possiamo davvero apprendere i dettagli di questi complessi processi solari. E quello che abbiamo imparato solo in queste tre orbite solari ha cambiato molto di quello che sappiamo sul Sole".

Ciò che accade sul Sole è fondamentale per capire come modella lo spazio intorno a noi. La maggior parte del materiale che sfugge al Sole fa parte del vento solare, un continuo deflusso di materiale solare che bagna l'intero sistema solare. Questo gas ionizzato, chiamato plasma, porta con sé il campo magnetico del Sole, allungandolo attraverso il sistema solare in una bolla gigante che si estende per più di 10 miliardi di miglia.

Il vento solare dinamico

Osservato vicino alla Terra, il vento solare è un flusso di plasma relativamente uniforme, con salti turbolenti. Ma a quel punto ha viaggiato per oltre novanta milioni di miglia e le firme dei meccanismi esatti del Sole per riscaldare e accelerare il vento solare sono state spazzate via. Più vicino alla fonte del vento solare, Parker Solar Probe ha visto un quadro molto diverso:un complicato, sistema attivo.

"La complessità era strabiliante quando abbiamo iniziato a esaminare i dati, " ha detto Stuart Bale, l'Università della California, Berkeley, responsabile della suite di strumenti FIELDS di Parker Solar Probe, che studia la scala e la forma dei campi elettrici e magnetici. "Ora, Mi ci sono abituato. Ma quando mostro ai colleghi per la prima volta, sono semplicemente spazzati via." Dal punto di osservazione di Parker a 15 milioni di miglia dal Sole, Bale ha spiegato, il vento solare è molto più impulsivo e instabile di quello che vediamo vicino alla Terra.

Come il Sole stesso, il vento solare è costituito da plasma, dove gli elettroni con carica negativa si sono separati dagli ioni con carica positiva, creando un mare di particelle fluttuanti con carica elettrica individuale. Queste particelle fluttuanti significano che il plasma trasporta campi elettrici e magnetici, e i cambiamenti nel plasma spesso lasciano segni su quei campi. Gli strumenti FIELDS hanno rilevato lo stato del vento solare misurando e analizzando attentamente come i campi elettrici e magnetici intorno al veicolo spaziale sono cambiati nel tempo, insieme alla misurazione delle onde nel plasma vicino.

Queste misurazioni hanno mostrato rapide inversioni del campo magnetico e improvvise, getti di materiale più veloci, tutte caratteristiche che rendono il vento solare più turbolento. Questi dettagli sono la chiave per capire come il vento disperde l'energia mentre si allontana dal Sole e attraverso il sistema solare.

Un tipo di evento in particolare ha attirato l'attenzione dei team scientifici:capovolgimenti nella direzione del campo magnetico, che sgorga dal Sole, immerso nel vento solare. Queste inversioni, chiamate "switchback", durano da pochi secondi a diversi minuti mentre scorrono su Parker Solar Probe. Durante un ritorno, il campo magnetico torna su se stesso finché non viene puntato quasi direttamente verso il Sole. Insieme, CAMPI e SWEAP, la suite di strumenti a vento solare guidata dall'Università del Michigan e gestita dallo Smithsonian Astrophysical Observatory, ha misurato gruppi di tornanti durante i primi due passaggi ravvicinati di Parker Solar Probe.

"Sono state osservate onde nel vento solare dall'inizio dell'era spaziale, e pensavamo che più vicino al Sole le onde sarebbero diventate più forti, ma non ci aspettavamo di vederli organizzarsi in questi picchi di velocità strutturati coerenti, "ha detto Justin Kasper, ricercatore principale per SWEAP, abbreviazione di Solar Wind Electrons Alpha and Protons, presso l'Università del Michigan ad Ann Arbor. "Stiamo rilevando resti di strutture del Sole che vengono scagliati nello spazio e cambiano violentemente l'organizzazione dei flussi e del campo magnetico. Questo cambierà drasticamente le nostre teorie su come la corona e il vento solare vengono riscaldati".

L'origine esatta dei tornanti non è ancora stata compresa, ma le misurazioni di Parker Solar Probe hanno permesso agli scienziati di restringere le possibilità.

Tra le molte particelle che fluiscono perennemente dal Sole ci sono un fascio costante di elettroni in rapido movimento, che viaggiano lungo le linee del campo magnetico del Sole nel sistema solare. Questi elettroni fluiscono sempre rigorosamente lungo la forma delle linee di campo che escono dal Sole, indipendentemente dal fatto che il polo nord del campo magnetico in quella particolare regione sia rivolto verso o lontano dal Sole. Ma Parker Solar Probe ha misurato questo flusso di elettroni che vanno nella direzione opposta, voltarsi indietro verso il Sole, mostrando che il campo magnetico stesso deve essere piegato indietro verso il Sole, piuttosto che Parker Solar Probe semplicemente incontrando una linea di campo magnetico diversa dal Sole che punta nella direzione opposta. Ciò suggerisce che i tornanti sono nodi nel campo magnetico:disturbi localizzati che si allontanano dal Sole, piuttosto che un cambiamento nel campo magnetico che emerge dal Sole.

Le osservazioni di Parker Solar Probe sui tornanti suggeriscono che questi eventi diventeranno ancora più comuni man mano che la navicella spaziale si avvicinerà al Sole. Il prossimo incontro solare della missione il 29 gennaio 2020, porterà la navicella spaziale più vicina che mai al Sole, e può gettare nuova luce su questo processo. Tali informazioni non solo aiutano a cambiare la nostra comprensione di ciò che causa il vento solare e il clima spaziale intorno a noi, ci aiuta anche a capire un processo fondamentale di come funzionano le stelle e come rilasciano energia nel loro ambiente.

Il vento solare rotante

Alcune delle misurazioni di Parker Solar Probe stanno avvicinando gli scienziati alle risposte a domande vecchie di decenni. Una di queste domande riguarda come, Esattamente, il vento solare esce dal Sole.

vicino alla Terra, vediamo il vento solare che scorre quasi radialmente, il che significa che fluisce direttamente dal Sole, dritto in tutte le direzioni. Ma il Sole ruota mentre rilascia il vento solare; prima che si liberi, il vento solare girava insieme ad esso. È un po' come i bambini che cavalcano su una giostra in un parco giochi:l'atmosfera ruota con il Sole proprio come ruota la parte esterna della giostra, ma più ti allontani dal centro, più veloce ti muovi nello spazio. Un bambino al limite potrebbe saltare giù e farebbe, a quel punto, muoversi in linea retta verso l'esterno, invece di continuare a ruotare. In un modo simile, c'è un punto tra il Sole e la Terra, il vento solare passa dalla rotazione insieme al Sole al flusso diretto verso l'esterno, o radialmente, come vediamo dalla Terra.

Il punto esatto in cui il vento solare passa da un flusso rotazionale a un flusso perfettamente radiale ha implicazioni sul modo in cui il Sole diffonde energia. Trovare quel punto può aiutarci a capire meglio il ciclo di vita di altre stelle o la formazione di dischi protoplanetari, i densi dischi di gas e polvere attorno a giovani stelle che alla fine si uniscono in pianeti.

Ora, per la prima volta, invece di vedere solo quel flusso rettilineo che vediamo vicino alla Terra, Parker Solar Probe è stata in grado di osservare il vento solare mentre era ancora in rotazione. È come se Parker Solar Probe avesse visto per la prima volta direttamente la giostra vorticosa, non solo i bambini che ci saltano giù. Lo strumento eolico solare di Parker Solar Probe ha rilevato una rotazione a partire da più di 20 milioni di miglia dal Sole, e mentre Parker si avvicinava al suo punto di perielio, la velocità di rotazione è aumentata. La forza della circolazione era più forte di quanto molti scienziati avessero previsto, ma è anche passato più rapidamente del previsto a un flusso verso l'esterno, che è ciò che aiuta a mascherare questi effetti da dove di solito ci sediamo, a circa 93 milioni di miglia dal Sole.

"Il grande flusso rotazionale del vento solare visto durante i primi incontri è stata una vera sorpresa, "ha detto Kasper. "Mentre speravamo di vedere un movimento rotatorio più vicino al Sole, le alte velocità che vediamo in questi primi incontri sono quasi dieci volte più grandi di quelle previste dai modelli standard".

Polvere vicino al Sole

Un'altra domanda che si avvicina a una risposta è la sfuggente zona priva di polvere. Il nostro sistema solare è inondato di polvere, le briciole cosmiche di collisioni che hanno formato i pianeti, asteroidi, comete e altri corpi celesti miliardi di anni fa. Gli scienziati sospettano da tempo che, vicino al sole, questa polvere verrebbe riscaldata ad alte temperature da una potente luce solare, trasformandolo in un gas e creando una regione priva di polvere attorno al Sole. Ma nessuno lo aveva mai osservato.

Per la prima volta, Gli imager di Parker Solar Probe hanno visto la polvere cosmica iniziare a diradarsi. Poiché lo strumento di imaging WISPR—Parker Solar Probe, guidato dal Naval Research Lab—guarda il lato del veicolo spaziale, può vedere ampie fasce della corona e del vento solare, comprese le regioni più vicine al Sole. These images show dust starting to thin a little over 7 million miles from the Sun, and this decrease in dust continues steadily to the current limits of WISPR's measurements at a little over 4 million miles from the Sun.

"This dust-free zone was predicted decades ago, but has never been seen before, " said Russ Howard, principal investigator for the WISPR suite—short for Wide-field Imager for Solar Probe—at the Naval Research Laboratory in Washington, D.C. "We are now seeing what's happening to the dust near the Sun."

At the rate of thinning, scientists expect to see a truly dust-free zone starting a little more than 2-3 million miles from the Sun—meaning Parker Solar Probe could observe the dust-free zone as early as 2020, when its sixth flyby of the Sun will carry it closer to our star than ever before.

Putting space weather under a microscope

Parker Solar Probe's measurements have given us a new perspective on two types of space weather events:energetic particle storms and coronal mass ejections.

Tiny particles—both electrons and ions—are accelerated by solar activity, creating storms of energetic particles. Events on the Sun can send these particles rocketing out into the solar system at nearly the speed of light, meaning they reach Earth in under half an hour and can impact other worlds on similarly short time scales. These particles carry a lot of energy, so they can damage spacecraft electronics and even endanger astronauts, especially those in deep space, outside the protection of Earth's magnetic field—and the short warning time for such particles makes them difficult to avoid.

Understanding exactly how these particles are accelerated to such high speeds is crucial. But even though they zip to Earth in as little as a few minutes, that's still enough time for the particles to lose the signatures of the processes that accelerated them in the first place. By whipping around the Sun at just a few million miles away, Parker Solar Probe can measure these particles just after they've left the Sun, shedding new light on how they are released.

Già, Parker Solar Probe's ISʘIS instruments, led by Princeton University, have measured several never-before-seen energetic particle events—events so small that all trace of them is lost before they reach Earth or any of our near-Earth satellites. These instruments have also measured a rare type of particle burst with a particularly high number of heavier elements—suggesting that both types of events may be more common than scientists previously thought.

"It's amazing—even at solar minimum conditions, the Sun produces many more tiny energetic particle events than we ever thought, " said David McComas, principal investigator for the Integrated Science Investigation of the Sun suite, or ISʘIS, at Princeton University in New Jersey. "These measurements will help us unravel the sources, acceleration, and transport of solar energetic particles and ultimately better protect satellites and astronauts in the future."

Data from the WISPR instruments also provided unprecedented detail on structures in the corona and solar wind—including coronal mass ejections, billion-ton clouds of solar material that the Sun sends hurtling out into the solar system. CMEs can trigger a range of effects on Earth and other worlds, from sparking auroras to inducing electric currents that can damage power grids and pipelines. WISPR's unique perspective, looking alongside such events as they travel away from the Sun, has already shed new light on the range of events our star can unleash.

"Since Parker Solar Probe was matching the Sun's rotation, we could watch the outflow of material for days and see the evolution of structures, " said Howard. "Observations near Earth have made us think that fine structures in the corona segue into a smooth flow, and we're finding out that's not true. This will help us do better modeling of how events travel between the Sun and Earth."

As Parker Solar Probe continues on its journey, it will make 21 more close approaches to the Sun at progressively closer distances, culminating in three orbits a mere 3.83 million miles from the solar surface.

"The Sun is the only star we can examine this closely, " ha detto Nicola Volpe, direttore della Divisione Eliofisica presso la sede della NASA. "Getting data at the source is already revolutionizing our understanding of our own star and stars across the universe. Our little spacecraft is soldiering through brutal conditions to send home startling and exciting revelations."

Data from Parker Solar Probe's first two solar encounters is available to the public online.

Parker Solar Probe is part of NASA's Living with a Star program to explore aspects of the Sun-Earth system that directly affect life and society. The Living with a Star program is managed by the agency's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, for NASA's Science Mission Directorate in Washington. Johns Hopkins APL designed, built and operates the spacecraft.