Nei suoi primi due sorvoli del sole, lo strumento guidato da Princeton IS?IS a bordo della Parker Solar Probe ha rilevato una sorprendente varietà di attività da parte di particelle energetiche solari:gli elettroni veloci, protoni e altri ioni che volano fuori prima del vento solare, che possono interrompere i viaggi spaziali e le comunicazioni sulla Terra. Le osservazioni sono solo l'inizio delle esplorazioni su come si formano questi eventi particellari, scoperte che faranno luce su questioni più ampie sul sole, spazio meteorologico e raggi cosmici. Una delle più grandi minacce del sole, per gli astronauti e i satelliti che forniscono mappe GPS, servizio di telefonia cellulare e accesso a Internet:sono particelle ad alta energia che eruttano dal sole a raffiche. In alto:il 17 novembre 2018, il 321° giorno di quell'anno, IS?IS di Parker Solar Probe ha osservato un'esplosione di protoni ad alta energia, ciascuno con più di 1 milione di elettronvolt di energia. I colori più caldi (giallo, arancia, rosso) rappresentano un aumento del numero di queste particelle ad alta energia che colpiscono i sensori IS?IS. In basso:una rappresentazione artistica di uno di questi eventi di particelle energetiche. Credito:Jamey Szalay e David McComas; Adattato con il permesso di D.J. McComas et al., Natura 575:7785 (2019)
Le esplosioni di particelle energetiche che fuoriescono dal sole e possono interrompere le comunicazioni spaziali possono essere ancora più varie e numerose di quanto si pensasse in precedenza, in base ai risultati del sorvolo del sole più vicino di sempre.
Le nuove scoperte, che ci aiutano a capire l'attività del sole e in definitiva potrebbero fornire un allarme tempestivo per le tempeste solari, provengono da una delle quattro suite di strumenti a bordo del Parker Solar Probe della NASA, un veicolo spaziale che ha completato i suoi primi passaggi vicino al globo infuocato. I risultati di tutte e quattro le suite appaiono oggi in una serie di articoli pubblicati sulla rivista Natura .
La scoperta che questi eventi di particelle energetiche sono più vari e numerosi di quanto precedentemente noto è stata una delle numerose scoperte fatte dalla suite di strumenti nota come Integrated Science Investigation of the Sun (ISOIS), un progetto guidato dalla Princeton University che coinvolge più istituzioni e la NASA.
"Questo studio segna un'importante pietra miliare nella ricognizione da parte dell'umanità dell'ambiente vicino al sole, "ha detto David McComas, il ricercatore principale per la suite di strumenti ISOIS, un professore di scienze astrofisiche di Princeton e vicepresidente del Princeton Plasma Physics Laboratory. "Fornisce le prime osservazioni dirette dell'ambiente delle particelle energetiche nella regione appena sopra l'atmosfera superiore del sole, la corona.
"Vedere queste osservazioni è stato un continuo 'eureka moment, '", ha detto McComas. "Ogni volta che riceviamo nuovi dati dal veicolo spaziale, stiamo assistendo a qualcosa che nessuno ha mai visto prima. Questo è il massimo!"
ISOIS cerca di scoprire come le particelle si muovano così velocemente, e cosa li spinge ad accelerare. Gli scienziati alla ricerca di queste risposte includono membri del team ISOIS presso il California Institute of Technology (Caltech), Laboratorio di fisica applicata della John Hopkins University (APL), Centro di volo spaziale Goddard della NASA, Laboratorio di propulsione a getto della NASA, l'Università del New Hampshire, Istituto di ricerca sudoccidentale, l'Università del Delaware e l'Università dell'Arizona, così come i collaboratori dell'Università della California-Berkeley, Imperial College di Londra, l'Università del Michigan, Osservatorio Astrofisico Smithsonian e Centro Nazionale per la Ricerca Scientifica in Francia.
Le particelle altamente energetiche possono interrompere le comunicazioni e i satelliti dei sistemi di posizionamento globale (GPS). Questi flussi di particelle, costituito principalmente da protoni, avere due fonti. Il primo viene dall'esterno del nostro sistema solare, generati quando le stelle esplodono rilasciano flussi di particelle noti come raggi cosmici. L'altro è il nostro sole. Entrambi possono danneggiare i sistemi elettrici dei veicoli spaziali e sono forme di radiazioni che possono danneggiare la salute degli astronauti.
Queste particelle energetiche volano molto più velocemente del vento solare, che è il flusso di circa un milione di miglia all'ora di gas caldo caricato elettricamente che viene espulso dal sole. Se il vento solare fosse un ruscello, le particelle energetiche sarebbero pesci che saltano fuori e saltano davanti al flusso. Le particelle viaggiano lungo percorsi, chiamati tubi di flusso magnetico, che si estendono dalla corona verso il vento solare.
Durante le prime due orbite di Parker Solar Probe, IS?IS ha rilevato molti eventi di piccole particelle energetiche, esplosioni solari durante le quali la velocità delle particelle che fuoriescono dal sole è aumentata rapidamente. Su ISOIS, lo strumento Epi-Lo misura particelle nell'ordine di decine di migliaia di elettronvolt, mentre Epi-Hi misura particelle con milioni o centinaia di milioni di elettronvolt. (Per riferimento, l'elettricità nella tua casa è di 120 volt.) Qui, i dati delle orbite 1 (sinistra) e 2 (destra) mostrano i tassi di conteggio delle particelle IS?IS sovrapposti come strisce colorate lungo la linea nera che rappresenta la traiettoria di Parker Solar Probe. I tassi di energia più bassi ("Lo") sono all'interno della pista, mentre i tassi di energia più elevati ("Hi") corrono all'esterno. Sia la taglia che il colore corrispondono alle tariffe misurate, in modo tale che le grandi barre rosse indichino le esplosioni più grandi, quando il sole ha rilasciato la maggior parte delle particelle in un breve lasso di tempo. Credito:Jamey Szalay e David McComas; Adattato con il permesso di D.J. McComas et al., Natura 575:7785 (2019)
Comprendere queste particelle potrebbe migliorare le previsioni meteorologiche spaziali e fornire un allarme tempestivo delle enormi tempeste che possono interrompere le comunicazioni terrestri e i viaggi spaziali.
"La risposta alle domande su come le particelle energetiche si formano e accelerano è incredibilmente importante, " ha detto Ralph McNutt, che ha supervisionato la costruzione dell'energia inferiore dei due strumenti della suite ed è capo scienziato nel settore dell'esplorazione spaziale presso l'APL. "Queste particelle influenzano le nostre attività sulla Terra e la nostra capacità di portare i nostri astronauti nello spazio. Stiamo facendo la storia con questa missione".
A causa della loro velocità, le particelle fungono da segnale di preallarme per il tempo spaziale, disse Jamey Szalay, uno studioso di ricerca associato presso il Dipartimento di Scienze Astrofisiche di Princeton che guida gli sforzi di visualizzazione dei dati per ISOIS. "Queste particelle si muovono velocemente, quindi se c'è una grande tempesta solare in arrivo, queste particelle sono i primi indicatori."
La maggior parte degli studi precedenti sulle particelle energetiche solari si basava su rivelatori situati nello spazio a circa la stessa distanza dal Sole della Terra, 93 milioni di miglia dal sole. Quando le particelle arrivano a quei rivelatori, è difficile capire da dove vengono, perché le particelle provenienti da varie fonti hanno interagito e mescolato.
"È un po' come le auto che escono da tunnel e ponti affollati e si diffondono sulle autostrade interstatali, " ha detto McComas. " Diventano più veloci mentre si allontanano, ma si mescolano e interagiscono anche in modi che è impossibile dire chi è venuto da dove mentre ti allontani sempre più dalle fonti."
Nei suoi primi viaggi intorno al sole, la sonda solare Parker ha viaggiato due volte più vicino al sole rispetto a qualsiasi altra navicella spaziale precedente. Al suo più vicino, il veicolo spaziale era di 14 milioni di miglia, o 35 raggi solari, che è 17,5 larghezze del sole, dalla superficie infuocata.
Avvicinarsi al sole è essenziale per svelare come queste particelle si formano e acquisiscono alte energie, disse Eric Christian, il vice ricercatore principale sull'ISOIS e uno scienziato ricercatore senior presso la NASA Goddard. "È come cercare di misurare cosa sta succedendo in una montagna studiando la base della montagna. Per sapere cosa sta succedendo, devi andare dove c'è l'azione:devi salire sulla montagna."
Una potenziale preoccupazione dei ricercatori era che il ciclo di attività del sole di 11 anni è attualmente basso. Ma il basso livello di attività si è rivelato un vantaggio.
Il pannello superiore mostra uno schema di un'espulsione di massa coronale (CME), durante la quale viene espulsa dal sole un'esplosione di massa grande quanto il lago Michigan. Questi possono rappresentare un pericolo per gli astronauti e i satelliti spaziali, ma gli scienziati dell'ISOIS hanno scoperto che minuscole particelle energetiche corrono davanti alla massa espulsa, fornendo un preavviso della minaccia in arrivo. Il pannello inferiore mostra i flussi di protoni rilevati dall'EPI-Lo di IS?IS (in alto) e le misurazioni del campo magnetico (in basso) nel periodo di una CME osservata. Le particelle energetiche hanno raggiunto Parker Solar Probe quasi un giorno prima della massa espulsa. Credito:Jamey Szalay e David McComas; Adattato con il permesso di N.J. Fox et al, Recensioni di scienze spaziali 204:7 (2016) e D.J. McComas et al., Natura 575:7785 (2019)
"Il fatto che il sole fosse tranquillo ci ha permesso di analizzare eventi estremamente isolati, " ha detto Nathan Schwadron, professore di fisica e astronomia e capo del centro operativo scientifico ISOIS presso l'Università del New Hampshire. "Questi sono eventi che non sono stati visti da più lontano perché sono solo ostacolati dall'attività del vento solare".
Durante le sue prime due orbite, L'ISOIS ha osservato diversi fenomeni affascinanti. Uno era un'esplosione di attività particellare energetica che ha coinciso con un'espulsione di massa coronale, una violenta eruzione di particelle energizzate e magnetizzate dalla corona. Prima dell'espulsione, ISOIS ha rilevato un accumulo di particelle energetiche relativamente basse, mentre dopo l'espulsione c'è stato un accumulo di particelle ad alta energia. Questi eventi erano piccoli e non rilevabili dall'orbita terrestre.
Un'altra osservazione dell'ISOIS era l'attività delle particelle che indicava una sorta di ingorgo del traffico del vento solare, che accade quando il vento solare rallenta improvvisamente, facendo accumulare vento solare in rapido movimento dietro di esso e formando una regione compressa di particelle. Questo accumulo, che gli astrofisici chiamano regione di interazione corotante, occurred out beyond Earth's orbit and sent high energy particles back toward the sun where they were observed by ISOIS.
Researchers are eager to understand the mechanisms by which the sun accelerates particles to high speeds. ISOIS's detection of each particle's identity—whether it is hydrogen, elio, carbonio, ossigeno, iron or another element—will help researchers further explore this question.
"There are two kinds of acceleration mechanisms, one that occurs in solar flares when magnetic fields reconnect, and another that occurs when you get shocks and compressions of the solar wind, but the details of how they cause particle acceleration are not that well understood, " said Mark Wiedenbeck, a principal scientist at NASA's Jet Propulsion Laboratory, who oversaw the development of the higher energy instrument in the ISOIS suite. "The composition of the particles is a key diagnostic to tell us the acceleration mechanism."
ISOIS made its third brush by the sun on Sept. 1, and will make its next on Jan. 29, 2020. As the mission continues, the satellite will make a total of 24 orbits, each time getting closer to the solar surface, until it is roughly five sun-widths from the star. The researchers hope that future flybys will reveal insights into the source of the energetic particles. Do they start as "seed particles" that go on to attain higher energies?
Jamie Sue Rankin, a postdoctoral researcher at Princeton working in the McComas group, began working on the higher energy ISOIS instrument as a graduate student at Caltech.
"It has been neat to see this whole process develop over the past decade, " Rankin said. "It is like surfing a wave:We built these instruments, made sure they were working, made adjustments to make sure the calibrations were right—and now comes the exciting part, answering the questions that we set out to address.
"With any spacecraft, when you go out into space, you think you know what to expect, but there are always wonderful surprises that complicate our lives in the best way, " she said. "That is what keeps us doing what we do."
