Un grande switchback del vento solare ha conservato una traccia chimica della propria origine: le particelle misurate al suo interno indicano che il gas era rimasto intrappolato in anelli magnetici caldi negli strati più bassi dell’atmosfera del Sole. La struttura, attraversata nel 2022 dalla sonda Solar Orbiter dell’Agenzia spaziale europea (European Space Agency), offre indizi a favore di uno dei meccanismi proposti per spiegare come si formano questi ripiegamenti del campo magnetico.
La ricerca è stata condotta da Jesse Coburn, del Laboratoire de Physique des Plasmas in Francia e del Mullard Space Science Laboratory dell’University College London, e pubblicata sulla rivista Nature Astronomy (). Gli autori hanno analizzato le misure raccolte dagli strumenti di Solar Orbiter durante il passaggio attraverso lo switchback.
Il vento solare è un flusso di particelle che si allontana dal Sole in ogni direzione, portando con sé il campo magnetico della stella. A volte questo campo forma una brusca piega a S, chiamata switchback. Queste strutture sono frequenti nel vento solare vicino al Sole; la sonda Parker Solar Probe della NASA ne ha rilevate sempre più numerose man mano che si avvicinava alla stella. La loro origine, però, è ancora discussa.
Nel 2022 Solar Orbiter aveva già fotografato da lontano uno switchback, confermandone la forma a S, prevista dagli scienziati ma mai osservata direttamente. Il 2 marzo la sonda si trovava a circa 82 milioni di chilometri dal Sole, poco oltre la metà della distanza tra la stella e l’orbita terrestre. In sei ore, i suoi strumenti registrarono cinque intervalli in cui il campo magnetico si ripiegava verso il Sole. Uno durò circa 90 minuti, più a lungo di quanto osservato negli studi precedenti.
«Solar Orbiter ha attraversato uno switchback molto grande», ha detto Coburn. «Questo ci ha permesso di campionare particelle osservate di rado, che presentano impronte inconfondibili della loro origine».
La traccia chimica consisteva in atomi di ossigeno e carbonio che avevano perso un diverso numero di elettroni. Più il gas è caldo, più elettroni vengono strappati agli atomi. Quando le particelle lasciano la regione densa e calda vicino al Sole, il numero di elettroni persi non cambia: resta quindi un indizio delle condizioni in cui si trovavano. A misurarlo è stato il Solar Wind Analyser di Solar Orbiter, un insieme di sensori che campiona il gas in movimento.
All’interno dello switchback è aumentata la proporzione di atomi di ossigeno e carbonio privi di più elettroni, mentre è diminuita la quantità di elio rispetto all’idrogeno. Entrambi i cambiamenti sono compatibili con un gas rimasto intrappolato in anelli magnetici chiusi e caldi prima di fuoriuscire. Per ricostruire la possibile regione d’origine, il gruppo ha modellizzato l’atmosfera solare usando le misure di temperatura e densità del Solar Dynamics Observatory della NASA. I risultati indicano il bordo di un buco coronale — una zona relativamente poco luminosa dell’atmosfera solare — oppure piccoli anelli magnetici al suo interno.
La combinazione di particelle osservata sostiene la riconnessione per scambio, uno dei due principali meccanismi proposti per la formazione degli switchback e del vento solare. «Esistono due principali teorie concorrenti su come si formano gli switchback e, di conseguenza, il vento solare», ha detto Coburn. «La specifica combinazione di particelle rilevata da Solar Orbiter è la prova decisiva di un processo di formazione noto come riconnessione per scambio».
In questo processo, un anello magnetico chiuso incontra una linea di campo che si estende nello spazio. Le due strutture si spezzano e si riconnettono, consentendo al gas intrappolato nell’anello di fuoriuscire. Secondo l’altra teoria, invece, gli switchback si formano durante il viaggio del vento solare, per effetto delle onde e della turbolenza. I ricercatori hanno trovato indizi anche di questi fenomeni.
All’interno dello switchback, l’idrogeno ha accelerato di circa 50 chilometri al secondo, una velocità simile a quella con cui le onde magnetiche si propagano nel vento solare. Fuori dalla struttura, gli atomi più pesanti si muovevano un po’ più velocemente dell’idrogeno; al suo interno, un po’ più lentamente. Gli autori interpretano questa differenza come un segnale che gli atomi si muovono insieme allo switchback mentre si allontana dal Sole.
«Nel complesso, sembra che entrambi i processi — la riconnessione per scambio e le onde e la turbolenza — intervengano nella formazione degli switchback e nel loro movimento nello spazio», ha detto la coautrice Stephanie Yardley, della Northumbria University. «La nostra scoperta concilia le due teorie, mostrando che agiscono semplicemente in fasi diverse della vita di uno switchback».
Il vento solare collega la Terra al Sole e le sue raffiche alimentano fenomeni di meteorologia spaziale che possono compromettere il funzionamento dei satelliti. «Più ne sappiamo, meglio possiamo prepararci alle tempeste solari e proteggere le nostre infrastrutture e tecnologie spaziali», ha detto Daniel Müller, responsabile scientifico del progetto Solar Orbiter per l’ESA.
Gli autori sottolineano che lo studio riguarda un singolo caso e non dimostra che tutti gli switchback abbiano la stessa origine. Le strutture più brevi osservate nello stesso intervallo mostravano segnali simili, ma le variazioni erano paragonabili al rumore degli strumenti. Inoltre, la ricostruzione della provenienza del gas si basava su un modello semplificato del campo magnetico solare. Le verifiche condotte dal gruppo indicano che le scelte fatte nel modello modificavano di poco la posizione stimata della sorgente.
Per capire se lo switchback analizzato fosse rappresentativo o un caso fortunato, serviranno studi statistici più ampi e future missioni con strumenti migliori per misurare gli atomi pesanti.
Fonte: earth.com
