Un gruppo internazionale di ricercatori guidati da Takenori Okamoto del Solar-Terrestrial Environment Laboratory presso la Nagoya University e ISAS/JAXA e da Patrick Antolin del National Astronomical Observatory of Japan a Tokyo ha analizzato una serie di immagini ad alta risoluzione fornite dalla missione Hinode della Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) confrontandole con quelle ottenute dallo spettrografo IRIS (Interface Region Imaging Spectrograph) della NASA e con le simulazioni numeriche e i modelli costruiti con il supercomputer ATERUI del National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). Gli scienziati sono stati in grado di ottenere le prime evidenze osservative dell’assorbimento risonante, un processo che avviene in presenza di forti campi magnetici e che si ritiene giochi un ruolo importante per risolvere il cosiddetto “problema della temperatura coronale”. I risultati di questo studio sono riportati su Astrophysical Journal.
A sinistra è mostrata un’immagine del Sole ripresa dal satellite SDO/AIA nella banda dell’estremo ultravioletto (falsi colori). A destra, un’immagine di una protuberanza visibile sul bordo della superficie solare, ripresa dallo strumento Hinode/SOT in luce visibile (falsi colori). Una protuberanza è composta da strutture sottili e lunghe chiamate ‘fili’. Inoltre, è rappresentato un modello in scala della Terra. Credit: NASA/JAXA/NAOJ
L’assorbimento risonante è quel processo fisico in cui due tipi differenti di onde magnetiche risuonano, rinforzando una di esse: stiamo parlando delle onde di Alfvén, che si possono propagare lungo una protuberanza solare, cioè una struttura a forma di filamento costituita da gas denso e freddo che si muove nella corona. Dunque, per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di osservare direttamente questo processo che avviene durante la propagazione di onde trasversali e onde di torsione e che dà luogo a un flusso turbolento che, a sua volta, riscalda la protuberanza. Con lo strumento Hinode è stato possibile osservare il moto trasversale mentre grazie a IRIS si è misurato il moto di torsione, un risultato che non sarebbe stato raggiunto senza l’utilizzo dei due satelliti. Ora, questa preziosa informazione potrebbe aiutare i fisici solari a spiegare come mai la corona raggiunge temperature dell’ordine di un milione di gradi Celsius, un fatto noto come “problema della temperatura coronale” che per oltre 70 anni ha sfidato qualsiasi interpretazione fisica.
La corona solare, ossia lo strato più esterno dell’atmosfera solare, è composta da gas estremamente caldo, detto plasma, le cui temperature possono raggiungere diversi milioni di gradi Celsius. Nello strato più esterno del Sole, cioè la parte più distante dal nucleo dove avvengono le reazioni nucleari che forniscono energia alla stella, ci si aspetta che le temperature siano molto più basse. Di fatto, questa regione della nostra stella risulta 200 volte più calda della fotosfera, lo strato che si trova immediatamente sotto. Questa contraddizione ha imbarazzato gli astrofisici sin da quando venne misurata per la prima volta più di 70 anni fa la temperatura della corona. Le missioni satellitari dedicate allo studio del Sole hanno permesso di rivelare che il campo magnetico solare gioca, di fatto, un ruolo essenziale in questo particolare processo. Ma secondo gli scienziati, la chiave per risolvere questo problema sta nel comprendere come l’energia magnetica può essere convertita in calore, ed in maniera efficiente, nella corona. Perciò, per risolvere questo enigma sono state introdotte due teorie.
La prima riguarda i brillamenti solari. Anche se ogni brillamento è in grado di convertire enormi quantità di energia magnetica in energia termica, la frequenza complessiva dei brillamenti solari non è abbastanza elevata per tener conto di tutta l’energia necessaria che serve a riscaldare la corona solare. Per risolvere questa discrepanza, è stata introdotta l’ipotesi dei “nano-brillamenti”. Si ritiene che brillamenti solari in miniatura si formino continuamente nella corona e che la somma delle loro azioni sia in grado di convertire abbastanza energia magnetica in calore. Sfortunatamente, però, questi nano-brillamenti non sono stati ancora osservati. La seconda ipotesi, invece, si basa, sulle onde magnetiche. Grazie alle missioni spaziali, come quella giapponese Hinode lanciata nel 2006, ora sappiamo che l’atmosfera solare è permeata da onde di Alfvén. Queste onde di tipo magnetico possono trasportare una significativa quantità di energia lungo le linee di forza del campo magnetico, cioè abbastanza energia in grado di riscaldare la corona. Tuttavia, affinchè la teoria funzioni, c’è bisogno di un meccanismo mediante il quale questa energia venga convertita in calore.
Figura 1. La figura mostra le ‘impronte digitali’ del processo dell’assorbimento risonante. Le onde di Alfvén che si propagano nella protuberanza solare producono oscillazioni trasversali delle strutture dette ‘fili’. Sul grafico, in cui è rappresentato lo spostamento in funzione del tempo, questo moto appare come una struttura a forma ondulata (in giallo nel pannello in alto a sinistra). Le onde risuonano e producono un caratteristico moto di torsione che è stato rivelato da IRIS (i puntini color porpora). Questo flusso diventa poi turbolento e riscalda il plasma. Le simulazioni numeriche 3D relative ad una struttura ‘filo’ di una protuberanza oscillante (il pannello in alto a destra) riproducono con successo questo processo. Nel pannello in basso, è rappresentata l’evoluzione temporale della sezione di una struttura detta ‘filo’. Credit: JAXA/NAOJ
Per verificare se esiste questo meccanismo di conversione dell’energia, il team ha combinato i dati di due missioni spaziali: stiamo parlando di Hinode e IRIS, due satelliti dedicati rispettivamente a osservazioni dirette e alla spettroscopia solare (IRIS è stato messo in orbita nel 2013). Entrambi gli strumenti hanno analizzato la stessa protuberanza solare (figura 1), una struttura a forma di filamenti costituita da gas freddo e denso che fluttua nella corona. Qui, l’aggettivo “freddo” è un termine relativo, dato che queste strutture possono raggiungere temperature dell’ordine di 10.000 gradi. Anche se una tale struttura sia più densa di tutto il resto della corona, una protuberanza non cede poiché le linee di forza del campo magnetico agiscono come una sorta di “rete magnetica” che la mantiene in vita. I singoli filamenti che compongono la protuberanza, denominati “fili”, seguono le linee di forza.
Le elevate risoluzioni spaziale e temporale di Hinode hanno permesso ai ricercatori di osservare piccoli movimenti in un piano bidimensionale dell’immagine (su/giù, destra/sinistra). Poi, per studiare il fenomeno nelle tre dimensioni, i ricercatori hanno utilizzato IRIS per misurare la velocità Doppler, cioè la velocità osservata lungo la linea di vista. Inoltre, i dati dello spettro ricavati mediante lo strumento IRIS hanno fornito una informazione importante sulla temperatura della protuberanza. Questi strumenti così diversi tra loro permettono di rivelare tipi differenti di onde di Alfvén: in altre parole, Hinode è in grado di rivelare onde trasversali mentre IRIS può rivelare onde di torsione. L’analisi comparativa dell’insieme dei dati forniti dai due satelliti ha mostrato che questi due tipi di onde sono in realtà sincronizzati e che allo stesso tempo si nota un aumento della temperatura nella protuberanza che va da 10.000 gradi fino a oltre 100.000 gradi. È la prima volta che viene stabilita una correlazione stretta tra le onde di Alfvén e il processo di riscaldamento della protuberanza.
Figura 2. In alto, le simulazioni numeriche realizzate con il supercomputer ATERUI mostrano come il processo di assorbimento risonante può spiegare la relazione osservata tra il flusso di risonanza (color porpora) e il moto trasversale (color verde). Inoltre, le simulazioni fanno vedere come appare la turbolenza. In basso, una sequenza temporale che mostra un ciclo completo del flusso di risonanza in relazione al moto trasversale. Credit: NAOJ
Tuttavia, le onde non sono sincronizzate come si aspettano gli scienziati. Pensiamo ad un cucchiaino che si muove avanti-indietro in una tazzina di caffè: il moto di torsione a mezzo giro attorno all’estremità del cucchiaino appare istantaneamente. Ma nel caso dei “fili” della protuberanza, il moto di torsione è per metà fuori sincrono rispetto al moto trasversale: in altre parole, c’è un certo ritardo tra la velocità massima del moto trasversale e quella del moto di torsione (figura 2), un po’ come il ritardo che si ha tra il moto dei fianchi di una ballerina che indossa una gonna lunga e il moto stesso della gonna. Per comprendere questo risultato inaspettato, il team ha utilizzato il supercomputer ATERUI del NAOJ in modo da realizzare una serie di simulazioni numeriche tridimensionali di un “filo” relativo ad una protuberanza oscillante. Dei vari modelli teorici che sono stati considerati, uno che riguarda l’assorbimento risonante ha fornito la miglior descrizione ai dati osservativi. In questo modello, le onde trasversali risuonano con quelle di torsione, rinforzandole, un po’ come quando un bambino può aggiungere energia all’altalena facendola oscillare più in alto e più velocemente, man mano che si muove a tempo con il moto di oscillazione dell’altalena stessa. Le simulazioni, dunque, mostrano che questa risonanza si ha all’interno di uno specifico strato della struttura a filamento della stessa protuberanza in prossimità della sua superficie. Quando ciò avviene, viene generato, e allo stesso tempo amplificato, un moto di torsione a mezzo-giro attorno all’estremità: si parla di flusso di risonanza. Ma a causa della sua posizione vicino all’estremità, la velocità massima del flusso di torsione viene ritardata della metà rispetto al valor massimo della velocità relativa al moto trasversale, che è proprio ciò che si osserva nella realtà (figura 2).
Le simulazioni hanno poi mostrato che questo flusso di risonanza lungo la superficie di una struttura a filamento della protuberanza può diventare decisamente turbolento. L’emergere della turbolenza è di grande rilevanza dato che risulta alquanto efficiente nel convertire l’energia dell’onda in energia di calore. Un altro effetto importante della turbolenza è quello di incrementare il flusso di risonanza, così come predetto nei modelli, fino alle dimensioni osservate. Riepilogando, il modello è in grado di spiegare i dati osservativi in termini di un processo a due-fasi: inizialmente, il processo di assorbimento risonante trasferisce energia al moto di torsione, producendo un flusso di risonanza lungo la superficie della struttura a filamenti della protuberanza; poi, la turbolenza che appare nel flusso, rafforzato dal processo di risonanza, converte l’energia in calore (figura 2).
Insomma, questo lavoro mostra che la capacità osservativa di più satelliti, quali Hinode e IRIS, può essere combinata per studiare alcuni problemi astrofisici ancora irrisolti e servirà da esempio per altri lavori di ricerca che stanno tentando di dare una spiegazione ad altri fenomeni simili nell’ambito della fisica solare.
Per saperne di più:
- Leggi il preprint su arXiv: Takenori J. Okamoto et al. – Resonant Absorption of Transverse Oscillations and Associated Heating in a Solar Prominence. I- Observational aspects