Ogni mattina, l'astronomo Steve Padilla fa una breve passeggiata da casa sua alla base di una torre che si erge a 150 piedi dal suolo. Nascosto nelle montagne di San Gabriel, a circa un'ora di macchina a nord di Los Angeles, l'Osservatorio di Mount Wilson è stato a lungo una casa per la scienza spaziale, è anche la casa di Padilla, uno dei vantaggi del suo lavoro come osservatore solare del Monte Wilson. Il Monte Wilson ha diverse sentinelle del sistema solare; il telescopio posto in cima a questa torre veglia costantemente sul sole. Gli osservatori studiano il sole da vicino, così possiamo capire meglio la vita e l'attività della nostra stella.

Padilla sale sull'ascensore esterno. Si aggancia a un'imbracatura di sicurezza, che è attaccato alla cabina scoperta, lo stesso utilizzato tutti i giorni da quando il telescopio è entrato in funzione nel 1912 (i cavi sono stati poi sostituiti).

"Può essere un po' spaventoso nelle giornate ventose, " ha detto Padilla.

In cima, Padilla regola una serie di specchi che proiettano un'immagine del sole in una stanza di osservazione molto al di sotto. Torna a terra, usa una serie di matite, variabile nel peso della grafite, per disegnare le macchie scure che screziano il volto del sole. Questo lavoro quotidiano è il fondamento del numero delle macchie solari, il nostro record più lungo di attività solare. Gli esseri umani hanno osservato le macchie solari, macchie scure che derivano da una forte attività magnetica, per più di 1, 000 anni, e li ha seguiti in dettaglio dall'invenzione del telescopio, per gli ultimi 400. Anche con la moderna schiera di veicoli spaziali che studiano il sole, prendersi il tempo per disegnare le macchie solari rimane il modo principale in cui vengono contate. Il rilevamento delle macchie solari è il modo più basilare per studiare come l'attività solare aumenta e diminuisce nel tempo, ed è la base di come tracciamo il ciclo solare.

le macchie solari corrispondono al ciclo naturale di 11 anni del sole, in cui il sole si sposta da relativamente calmo a tempestoso. Nella sua forma più attiva, chiamato massimo solare, il sole è punteggiato di macchie solari e i suoi poli magnetici sono invertiti. (Sulla terra, sarebbe come se i poli nord e sud si capovolgessero ogni decennio.) Durante il minimo solare, le macchie solari sono poche e distanti tra loro. Spesso, il sole è vuoto e informe come un tuorlo d'uovo.

Comprendere il comportamento del sole è una parte importante della vita nel nostro sistema solare. Le potenti esplosioni del sole possono disturbare i satelliti e i segnali di comunicazione che viaggiano intorno alla Terra, o un giorno, Gli astronauti di Artemis esplorano mondi lontani. Gli scienziati della NASA studiano il ciclo solare in modo da poter prevedere meglio l'attività solare. A partire dal 2020, il sole ha cominciato a scrollarsi di dosso il sonno del minimo, avvenuta nel dicembre 2019. Il ciclo solare 25 è in corso, e gli scienziati sono ansiosi di avere un'altra possibilità per mettere alla prova la loro comprensione dei segni del ciclo solare.

"La cosa più importante da ricordare con le previsioni è, ti sbaglierai, " ha detto Dean Pesnell, un esperto di ciclo solare presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Non sarai mai perfetto. È quello che impari da quello, che ti permette di fare progressi nelle tue previsioni."

Durante il minimo solare sonnolento, Padilla ha osservato più giorni senza macchia. "Non ci sono punti da disegnare, quindi ho solo un foglio senza niente sopra, " ha detto. Anche l'assenza di macchie solari è un'osservazione utile:il conteggio dei giorni immacolati è un indicatore che l'umore del sole si sta spostando verso il minimo. (Invece di macchie solari, buchi coronali scuri offuscano al minimo i poli del sole.) D'altra parte, al massimo solare, centinaia di macchie possono formarsi contemporaneamente. Alcuni disegni possono richiedere diverse ore per essere completati.

"Il sole ha il suo ritmo che non possiamo accelerare, " disse Frédéric Clette, direttore del World Data Center per l'indice delle macchie solari e le osservazioni solari a lungo termine, o SILSO, presso l'Osservatorio Reale del Belgio a Bruxelles, che traccia le macchie solari e individua gli alti e i bassi del ciclo solare. "Qualche volta, abbiamo difficoltà a moderare l'impazienza delle persone che si aspettano di sapere dall'oggi al domani se il sole si sta davvero svegliando di nuovo".

Intorno al mondo, gli osservatori effettuano censimenti quotidiani delle macchie solari. Disegnano il sole alla stessa ora ogni giorno, utilizzando gli stessi strumenti per coerenza. Insieme, le loro osservazioni costituiscono il numero internazionale delle macchie solari, un compito complesso gestito da SILSO. Circa 80 stazioni in tutto il mondo contribuiscono con i propri dati. Il numero esatto di stazioni incluse nel conteggio di ogni giorno dipende da una serie di fattori come il tempo (nuvole e vento forte oscurano la vista del sole), o forse un osservatore solare ha un appuntamento dell'ultimo minuto.

Nonostante le interferenze della vita quotidiana, questi sondaggi manuali sono ancora i più affidabili, record a lungo termine di macchie solari che abbiamo.

"I satelliti possono fare molte cose meglio di un disegno a mano, " ha detto Olivier Lemaître, un osservatore solare dell'Osservatorio Reale del Belgio. "Ma considera un satellite con una durata di vita di 10-15 anni, questo è solo un ciclo solare. Non puoi confrontarlo con nient'altro al di fuori di tale durata".

Ma gli studi a lungo termine sono la spina dorsale della scienza del ciclo solare. Con ampi documenti storici, gli scienziati possono tracciare l'arco di decenni di modelli nel comportamento del sole. Quando si tratta di contare le macchie solari, non si tratta tanto dell'accuratezza o della risoluzione delle osservazioni quanto della coerenza dei dati stessi. Anche mentre la loro città era chiusa a causa della pandemia di coronavirus, un osservatore della squadra del Royal Observatory si dirigeva ogni giorno verso la torre del telescopio, per mantenere intatto il registro.

Lemaître si avvicina ad ogni macchia solare disegnando metodicamente, delineando una famiglia di macchie solari prima di sfumare nei dettagli più fini. Il delicato lavoro a matita smentisce le potenti esplosioni che le macchie solari possono scatenare.

le macchie solari derivano da ammassi di intensa energia magnetica. Spinti dalla loro forza magnetica, salgono attraverso il materiale solare agitato come un chicco di riso in una pentola bollente. le macchie solari appaiono più scure perché sono più fresche dell'ambiente circostante; il nodo magnetico al loro centro impedisce all'energia di irradiarsi oltre la superficie del sole. Quando una quantità sufficiente di energia magnetica si accumula sulla macchia solare, una potente eruzione può esplodere, come una bottiglia di soda che esplode, emettendo luce e materia solare.

Se si trovano di fronte alla Terra, queste tempeste solari possono disturbare i satelliti, astronauti, e segnali di comunicazione come radio o GPS. L'atmosfera superiore della Terra potrebbe espandersi in risposta, rallentando i satelliti in orbita come le strade sterrate rallentano le auto, erodendo la vita dei satelliti. Sebbene i cambiamenti sul sole di solito non siano visibili a noi senza l'aiuto di strumenti scientifici, hanno un impatto sullo spazio intorno alla Terra e su altri pianeti.

Inseguendo il minimo solare

Nel profondo del sole, i gas elettrificati scorrono in correnti che generano il campo magnetico del sole, che alimenta le sue potenti esplosioni. Durante il minimo solare, il campo magnetico del sole è rilassato. Al culmine del ciclo solare, è un groviglio di linee del campo magnetico. Comprendendo questo flusso, chiamato la dinamo, è fondamentale nello sforzo di prevedere cosa farà il sole dopo.

Dal 1989, il Solar Cycle Prediction Panel, un gruppo internazionale di esperti sponsorizzato dalla NASA e dal NOAA, la National Oceanic and Atmospheric Administration, si è riunita ogni decennio per fare la sua previsione per il prossimo ciclo solare. La previsione include il numero massimo di macchie solari e l'inizio e il picco previsti del ciclo. Lo sforzo richiede la valutazione di molti modelli diversi e l'esplorazione di molte personalità.

"Ognuno di noi ha le sue previsioni preferite, o quelli in cui abbiamo più fiducia, "ha detto Lisa Upton, un fisico solare presso la Space Systems Research Corporation di Westminster, Colorado, e co-presidente del pannello di previsione. "Il nostro dovere è raggiungere un consenso. Se prendiamo tutte le nostre opinioni e modelli, dove è la più sovrapposizione, e dove possiamo concordare che il ciclo solare atterrerà?"

Gli scienziati sono sempre alla ricerca del minimo solare, ma possono riconoscerlo solo col senno di poi. Poiché il minimo è definito dal numero più basso di macchie solari in un ciclo solare, gli scienziati devono vedere i numeri aumentare costantemente prima di determinare quando erano in fondo.

Per complicare le cose, i cicli solari spesso si sovrappongono. Quando un ciclo passa al successivo, le macchie solari vecchie e nuove emergono contemporaneamente sul sole. le macchie solari appaiono spesso in gruppi, che sono come magneti, ciascuno con un finale positivo e negativo. Mentre il campo magnetico del sole si capovolge lentamente, così fa la polarità dei gruppi di macchie solari. Dove le macchie solari di un ciclo vanno alla deriva attraverso il sole con la loro fine positiva in testa, i punti del ciclo successivo camminano per primi con il piede negativo. Oltre a ciò, anche le macchie solari nei due emisferi solari hanno orientamenti opposti.

La firma magnetica unica di ogni macchia solare consente di determinare quale ciclo l'ha prodotta:quella vecchia o quella nuova. Quando il sole si muove dal minimo solare, oltre a contare le macchie solari, gli scienziati vogliono assicurarsi che tutte le macchie che emergono in superficie siano effettivamente nuove.

"Avverto solo le persone, perché per quanto siamo eccitati per il nuovo ciclo in arrivo, dobbiamo aspettare fino a quando non raggiungiamo effettivamente il minimo, " Upton ha detto. "Può passare da sei a otto mesi oltre il minimo prima di poter dire che il minimo si è effettivamente verificato". solo a settembre 2020 gli scienziati hanno confermato che il sole ha raggiunto il minimo solare a dicembre 2019.

Indicatori invisibili

Oltre alle macchie solari, altri indicatori possono segnalare quando il sole sta raggiungendo il suo basso. Se il campo magnetico del sole fosse un puzzle, manca ancora un pezzo:il campo magnetico ai poli. Sebbene gli scienziati non possano misurare il campo magnetico polare con la stessa precisione di altre parti del sole, le stime forniscono indizi. (Prossimamente, ESA, l'Agenzia spaziale europea, e il Solar Orbiter della NASA invierà nuove immagini dei poli del sole.) Nei cicli precedenti, gli scienziati hanno notato che la forza del campo magnetico polare durante il minimo solare suggerisce l'intensità del prossimo massimo. Quando i poli sono deboli, il prossimo massimo è debole, e viceversa.

Gli ultimi cicli, l'intensità del campo magnetico ai poli del sole è costantemente diminuita; così anche il numero delle macchie solari. Ora, i poli sono più o meno forti come lo erano nello stesso punto nell'ultimo ciclo, Ciclo 24.

"Questo è il grande test per i nostri modelli:se il ciclo 25 avrà lo stesso risultato del ciclo 24, " ha detto Pesnell.

Un altro indicatore del progresso del ciclo solare viene dall'esterno del sistema solare. I raggi cosmici sono frammenti di particelle ad alta energia, le macerie di stelle esplose in galassie lontane. Durante il massimo solare, il forte campo magnetico del sole avvolge il nostro sistema solare in un bozzolo magnetico difficile da infiltrare per i raggi cosmici. Negli anni non di punta, il numero di raggi cosmici nel sistema solare aumenta man mano che si supera il sole tranquillo. Tracciando i raggi cosmici sia nello spazio che a terra, gli scienziati hanno ancora un'altra misura del ciclo solare.

Mentre al minimo possono mancare i fuochi d'artificio del massimo solare, è utile per gli scienziati. Fanno le loro previsioni, e aspetta di vedere come andranno a finire le loro stime. Alcuni lo considerano un momento per tornare alle origini.

"Nel minimo solare, puoi fare domande più difficili che al massimo, " ha detto Pesnell.

Un'area di studio solare, chiamato eliosismologia, coinvolge scienziati che raccolgono onde sonore dall'interno del sole, come un modo per sondare l'inafferrabile dinamo. Durante il minimo solare, non devono preoccuparsi delle onde sonore che rimbalzano sulle macchie solari e sulle regioni attive caratteristiche del massimo solare. Quando le macchie solari scompaiono dalla vista, gli scienziati hanno la possibilità di mettere a punto i loro modelli, senza tutto il dramma solare.