In un articolo apparso su Nature , i ricercatori del MIT, dell'Università di Edimburgo e di altri centri scoprono che il campo magnetico del sole potrebbe derivare da instabilità all'interno degli strati più esterni del sole.

Il team ha generato un modello preciso della superficie del sole e ha scoperto che quando simulavano determinate perturbazioni o cambiamenti nel flusso di plasma (gas ionizzato) all'interno del 5-10% superiore del sole, questi cambiamenti superficiali erano sufficienti per generare fenomeni magnetici realistici. schemi di campo, con caratteristiche simili a ciò che gli astronomi hanno osservato sul sole. Al contrario, le loro simulazioni negli strati più profondi hanno prodotto un'attività solare meno realistica.

I risultati suggeriscono che le macchie solari e i brillamenti potrebbero essere il prodotto di un campo magnetico superficiale, piuttosto che di un campo che ha origine più in profondità nel sole, come avevano ampiamente ipotizzato gli scienziati.

"Le caratteristiche che vediamo guardando il sole, come la corona che molte persone hanno visto durante la recente eclissi solare, le macchie solari e le eruzioni solari, sono tutte associate al campo magnetico del sole", afferma l'autore dello studio Keaton Burns, ricercatore presso l'Università di Los Angeles. Dipartimento di Matematica del MIT.

"Mostriamo che perturbazioni isolate vicino alla superficie del sole, lontano dagli strati più profondi, possono crescere nel tempo fino a produrre potenzialmente le strutture magnetiche che vediamo."

Se il campo magnetico del sole provenisse effettivamente dai suoi strati più esterni, ciò potrebbe offrire agli scienziati maggiori possibilità di prevedere eruzioni e tempeste geomagnetiche che potrebbero danneggiare i satelliti e i sistemi di telecomunicazione.

"Sappiamo che la dinamo si comporta come un orologio gigante con molte parti complesse che interagiscono", afferma il coautore Geoffrey Vasil, ricercatore dell'Università di Edimburgo. "Ma non conosciamo molti dei pezzi o come si incastrano. Questa nuova idea di come inizia la dinamo solare è essenziale per comprenderla e prevederla."

Tra i coautori dello studio figurano anche Daniel Lecoanet e Kyle Augustson della Northwestern University, Jeffrey Oishi del Bates College, Benjamin Brown e Keith Julien dell'Università del Colorado a Boulder e Nicholas Brummell dell'Università della California a Santa Cruz.

Zona di flusso

Il sole è una palla di plasma incandescente che bolle sulla sua superficie. Questa regione di ebollizione è chiamata “zona di convezione”, dove strati e pennacchi di plasma si agitano e scorrono. La zona di convezione comprende il terzo superiore del raggio del sole e si estende per circa 200.000 chilometri sotto la superficie.

"Una delle idee di base su come avviare una dinamo è che è necessaria una regione in cui ci sia molto plasma che si muove oltre altri plasma e che il movimento di taglio converta l'energia cinetica in energia magnetica", spiega Burns. "La gente pensava che il campo magnetico del sole fosse creato dai movimenti nella parte inferiore della zona di convezione."

Per individuare esattamente dove ha origine il campo magnetico del sole, altri scienziati hanno utilizzato grandi simulazioni tridimensionali per cercare di risolvere il flusso di plasma attraverso i numerosi strati dell'interno del sole. "Queste simulazioni richiedono milioni di ore su strutture nazionali di supercalcolo, ma ciò che producono non è nemmeno lontanamente turbolento quanto il sole reale", afferma Burns.

Invece di simulare il complesso flusso di plasma attraverso l'intero corpo del sole, Burns e i suoi colleghi si sono chiesti se studiare la stabilità del flusso di plasma vicino alla superficie potesse essere sufficiente per spiegare le origini del processo della dinamo.

Per esplorare questa idea, il team ha innanzitutto utilizzato i dati provenienti dal campo dell'"eliosismologia", in cui gli scienziati utilizzano le vibrazioni osservate sulla superficie del sole per determinare la struttura media e il flusso del plasma sotto la superficie.

"Se prendi un video di un tamburo e guardi come vibra al rallentatore, puoi capire la forma e la rigidità della pelle dalle modalità vibrazionali", dice Burns. "Allo stesso modo, possiamo usare le vibrazioni che vediamo sulla superficie solare per dedurre la struttura media all'interno."

Cipolla solare

Per il loro nuovo studio, i ricercatori hanno raccolto modelli della struttura del sole da osservazioni eliosismiche. "Questi flussi medi assomigliano a una cipolla, con diversi strati di plasma che ruotano uno accanto all'altro", spiega Burns. "Allora ci chiediamo:ci sono perturbazioni, o piccoli cambiamenti nel flusso del plasma, che potremmo sovrapporre a questa struttura media, che potrebbero crescere fino a causare il campo magnetico del sole?"

Per cercare tali modelli, il team ha utilizzato il progetto Dedalus, un quadro numerico sviluppato da Burns in grado di simulare molti tipi di flussi di fluidi con elevata precisione. Il codice è stato applicato a un'ampia gamma di problemi, dalla modellazione della dinamica all'interno delle singole cellule, alle circolazioni oceaniche e atmosferiche.

"I miei collaboratori hanno pensato per anni al problema del magnetismo solare e le capacità di Dedalus hanno ora raggiunto il punto in cui potremmo affrontarlo", afferma Burns.

Il team ha sviluppato algoritmi che hanno incorporato in Dedalus per trovare cambiamenti autorinforzanti nei flussi superficiali medi del sole. L’algoritmo ha scoperto nuovi modelli che potrebbero crescere e provocare un’attività solare realistica. In particolare, il team ha trovato modelli che corrispondono alle posizioni e alle scale temporali delle macchie solari osservate dagli astronomi a partire da Galileo nel 1612.

Le macchie solari sono caratteristiche transitorie sulla superficie del sole che si ritiene siano modellate dal campo magnetico solare. Queste regioni relativamente più fredde appaiono come macchie scure rispetto al resto della superficie incandescente del sole. Gli astronomi osservano da tempo che le macchie solari si verificano secondo uno schema ciclico, crescendo e recedendo ogni 11 anni e generalmente gravitano attorno all'equatore, piuttosto che vicino ai poli.

Nelle simulazioni del team, hanno scoperto che alcuni cambiamenti nel flusso di plasma, solo nel 5-10% degli strati superficiali del sole, erano sufficienti per generare strutture magnetiche nelle stesse regioni. Al contrario, i cambiamenti negli strati più profondi producono campi solari meno realistici che sono concentrati vicino ai poli, piuttosto che vicino all'equatore.

Il team è stato motivato a dare un’occhiata più da vicino ai modelli di flusso vicino alla superficie poiché le condizioni somigliavano ai flussi di plasma instabili in sistemi completamente diversi:i dischi di accrescimento attorno ai buchi neri. I dischi di accrescimento sono enormi dischi di gas e polvere stellare che ruotano verso un buco nero, guidati dall'"instabilità magnetorotazionale", che genera turbolenza nel flusso e lo fa cadere verso l'interno.

Burns e i suoi colleghi sospettavano che un fenomeno simile fosse in gioco nel sole e che l'instabilità magnetorotazionale negli strati più esterni del sole potesse essere il primo passo nella generazione del campo magnetico solare.

"Penso che questo risultato possa essere controverso", dice. "La maggior parte della comunità si è concentrata sulla ricerca dell'azione della dinamo nelle profondità del sole. Ora stiamo dimostrando che esiste un meccanismo diverso che sembra corrispondere meglio alle osservazioni."

Burns afferma che il team sta continuando a studiare se i nuovi modelli del campo superficiale possono generare singole macchie solari e l'intero ciclo solare di 11 anni.