Studiare il Sole con NASA Parker Solar Probe6 min di lettura

Il 12 agosto 2018, alle 9:33 in Italia, la NASA ha lanciato nello spazio la Parker Solar Probe: una missione che studierà il Sole da molto vicino.

Il nome Parker della sonda si riferisce all’astrofisico Eugene Newman Parker: nel 1958, Parker ha ipotizzato diversi meccanismi per spiegare come funziona l’atmosfera del Sole, come vedremo tra poco. Eugene Parker oggi ha 91 anni e può godersi la missione della sonda che porta il suo nome mentre si gode pure una meritata pensione.

Tra l’altro, questa è la prima volta che la NASA sceglie di chiamare una sua missione con il nome di una persona ancora in vita. Insomma, giusto per far capire che se esistesse il Nobel per l’astrofisica, Parker l’avrebbe già vinto da tempo.

Ci sono tantissime cose da dire su questa missione: ma non c’è fretta. Nel senso che avremo tutto il tempo di parlarne nei prossimi mesi e anni. Oggi, però, in occasione del lancio, vorrei almeno introdurvi ad alcuni aspetti essenziali della missione. Per esempio, perché la NASA ha inviato una sonda verso il Sole, e come è fatta questa sonda.

Prima un piccolo ripasso

Il Sole è una stella, cioè una palla fatta di particelle cariche e campi magnetici. Il Sole produce energia nel suo nucleo, dove avvengono le reazioni di fusione nucleare: 4 nuclei di idrogeno sono trasformati in un nucleo di elio più fotoni, cioè luce.

I fotoni prodotti nel nucleo del Sole iniziano così un lungo viaggio verso la superficie della stella: il Sole ha un raggio di circa 700 mila chilometri e i fotoni lungo il loro cammino incontrano altre particelle cariche con cui interagiscono. Quindi i fotoni sono continuamente assorbiti ed emessi e, dopo anche un milione di anni finalmente arrivano in superficie. Poi, dopo circa 8 minuti arrivano da noi sulla Terra alla velocità della luce, senza altri ostacoli. In pratica è come quando si esce da un luogo affollato per arrivare al parcheggio dove abbiamo l’auto: prima si procede molto lentamente a causa dell’elevata densità di persone, poi una volta in auto si può viaggiare in modo più agevole e veloce.

Il viaggio di un fotone nel Sole è come quello su una strada provinciale in Molise, pieno di curve e traffico. Poi, una volta fuori, inizia l’autostrada.

Siccome il Sole non è una palla rigida, non solo i fotoni, ma anche le particelle che lo compongono fluttuano nello spazio. Questo insieme di particelle cariche è chiamato plasma. Una volta arrivati in superficie, abbiamo l’atmosfera del Sole, una regione chiamata corona solare.  Man mano poi che ci allontaniamo dal Sole attraverso la corona, abbiamo una regione ancora meno densa di plasma ma che si estende praticamente in tutto il sistema solare, un flusso di particelle che arriva a tutti i pianeti: siamo nella zona del vento solare.

Qui la zona del vento solare è indicata con solar wind

Ora sappiamo, dai dati di altre sonde, che esiste una regione di transizione tra corona e vento solare. E ci sono diverse cose ancora poco chiare su questa zona di transizione, sulla corona e sul vento solare: tutte cose che la Parker Solar Probe cercherà di capire.

Vediamo insieme quali sono questi problemi.

Perché la corona solare è così calda?

La corona solare è l’insieme di particelle cariche (plasma) che si trovano a una distanza entro circa 20 milioni di km intorno al Sole. Siccome la densità di queste particelle è molto bassa, risulta difficile vedere la corona. Le uniche occasioni in cui si può vedere la corona solare si hanno quando il disco del Sole è coperto, per esempio durante un’eclissi di Sole.

EHI, ATTENZIONE: MAI GUARDARE DIRETTAMENTE IL SOLE SENZA PROTEZIONI.

Eclissi di Sole del 9 marzo 2016. Crediti: Catalin Beldea/Stiinta

Nella corona solare, la temperatura del plasma può raggiungere anche un milione di gradi. Ora, questo è un problema: infatti la temperatura della superficie del Sole è di soli circa 5500 gradi.

La domanda grossa qui è: come fa la corona ad avere questa temperatura così elevata?

Tra le varie teorie proposte, c’è lo zampino di Eugene Parker, il quale ha proposto il fenomeno dei nanoflare: il campo magnetico solare subisce delle modifiche tali per cui innesca dei moti nel plasma su scale molto piccole. Siccome si tratta di moti che avvengono in piccole regioni, allora l’energia trasmessa dal campo magnetico solare è immediatamente dissipata sotto forma di calore.

Questa sembrerebbe una buona spiegazione del perché la corona abbia una temperatura così elevata, ma c’è un problema: i nanoflare non sono mai stati osservati finora.

E allora, dal punto di vista scientifico, che si fa? Bravi, si va in cerca di evidenze sperimentali: per questo è stata lanciata la Parker Solar Probe.

Poi, chissà, magari con i dati della Parker Solar Probe scopriamo che non è colpa dei nanoflare ma il motivo è un altro. Non importa: la scienza farà il suo lavoro gettando via la teoria che non torna con i dati e tirandone fuori un’altra. Questo, tra l’altro, vorrà dire che avremo scoperto qualcosa di nuovo.

Come si forma il vento solare?

Il vento solare è composto da particelle cariche elettricamente (plasma) che sfuggono dal Sole e arrivano a incontrarsi con i campi magnetici dei pianeti del sistema solare.

Vento solare dai dati NASA STEREO (Crediti: Craig DeForest, SwRI)

Queste particelle sono rilasciate dalla corona solare: vicino al Sole sono controllate dal campo magnetico solare, poi a un certo punto, il flusso di queste particelle diventa più turbolento e non controllato: siamo nella zona del vento solare.

Funziona più o meno così: avete presente un piccolo getto d’acqua? Prima il getto è compatto, poi dopo un po’ lo è meno e tutto il getto si disperde in gocce. Ecco, al plasma solare accade la stessa cosa, solo che non abbiamo capito bene perché.

Quando finisce la corona, inizia il vento solare. Così, all’improvviso.

In realtà, qualche idea in giro tra gli astrofisici c’è, ma niente di definitivo. Ecco allora un buon motivo per spedire una sonda a raccogliere dati.

Come farà la sonda a resistere a temperature così elevate?

Per studiare bene la corona solare e il vento solare, l’unica cosa da fare è avvicinarsi parecchio al Sole, immergersi nella corona solare.

E infatti Parker Solar Probe farà proprio così. La corona solare si estende per circa 32 milioni di km a partire dalla superficie del Sole. Parker Solar Probe si posizionerà, nel punto di massimo avvicinamento al Sole, a 6 milioni di km.

Non so se mi spiego, vicinissimi al Sole andiamo stavolta.

Una faccenda che abbiamo lasciato in sospeso è la seguente: come farà Parker Solar Probe a resistere nella corona solare visto che le temperature sono oltre il milione di gradi? Bella domanda.

Innanzitutto una precisazione: la temperatura è una cosa, il calore è un’altra.

La temperatura è un indicatore del moto delle particelle che ci sono nella corona. Temperatura alta, particelle più veloci, così a naso. Poi però c’è il calore, cioè l’energia che queste particelle riescono a trasferire a un altro corpo.  Ora, le particelle della corona solare si muovono parecchio: per questo hanno una temperatura di un milione di gradi. Però sono poche: quindi non riescono a trasferire in maniera efficiente la loro energia, cioè il calore.

Quindi, in realtà, Parker Solar Probe non dovrà resistere a temperature di un milione di gradi, ma più basse. Certo, non basterà una buona crema solare ma la NASA ha progettato per la sonda uno scudo termico in grado di resistere a temperature di circa 1400 gradi.

Ma arrivare vicino al Sole non è facile come sembra

Potrebbe sembrare strano, ma è più facile mandare una sonda su Marte che vicino al Sole. Cioè, tecnicamente proprio, è più facile spedire una sonda lontano dal Sole piuttosto che dalle sue parti. Ma come è possibile?

Sembra totalmente controintuitivo, eppure ora vi farò vedere che in realtà ha tutto perfettamente senso.

Il Sole governa il sistema solare grazie al fatto che ha una massa enorme e quindi tutti i pianeti sentono la sua enorme gravità. Come risultato, tutti i pianeti sono tenuti al guinzaglio gravitazionale del Sole. Però i pianeti, pur sentendo la gravità del Sole, non ci cadono direttamente sopra come una mela cade dall’albero.

Il motivo di questa cosa lo avevo già raccontato su Quantizzando: i pianeti hanno anche una velocità tangenziale. Immaginate di avere una pallina in mano: se la lasciate, allora cadrà verso il pavimento inesorabilmente; se invece le date una velocità in avanti, allora prima di toccare il pavimento descriverà una breve orbita parabolica. Stessa cosa vale per i razzi lanciati dalla Terra.

La Terra si muove di lato mentre cade sul Sole: ecco perché gira intorno al Sole.

Anzi, c’è un problema in più: anche se puntassimo la sonda diritta contro il Sole, siccome la lanciamo dalla Terra e il nostro pianeta si sta muovendo di lato, allora la sonda avrà anche una certa velocità laterale, uguale proprio a quella della Terra. E quindi mancherà il bersaglio, cioè il Sole.

Se la Terra si muove di lato, anche una sonda lanciata da Terra si muoverà di lato un poco.

L’unica cosa che si può fare è cercare di ridurre quella velocità laterale, cioè cercare di trovare un modo per frenare la sonda di lato. Per fortuna il modo esiste: si può frenare una sonda grazie all’effetto fionda gravitazionale.

In pratica, si lancerà la Parker Solar Probe verso Venere: la gravità di Venere farà frenare gradualmente la sonda, la quale in questo modo orbiterà intorno al Sole nella maniera desiderata. Saranno necessari ben sette incontri ravvicinati con Venere per ottenere ciò che vogliono alla NASA. La sonda, nel momento di massimo avvicinamento al Sole, avrà una velocità di 700 mila km orari.

Meno male che c’è Venere.

Ma perché studiamo il Sole?

Ci sono diversi motivi per cui siamo interessati al Sole, alla corona e al vento solare. n realtà, alla fine, l’unico motivo che ci guida è  la curiosità di capire come funzionano le cose nell’universo: fare ricerca e applicare il metodo scientifico per capire come stanno le cose e qual è il modo migliore per intepretare i fenomeni che osserviamo. 

Comunque, per i più esigenti con le motivazioni, ecco una breve lista che riporto dal sito della missione Parker Solar Probe:

  1. Il Sole è l’unica stella che possiamo studiare da vicino. Studiamo bene una stella per studiarle bene tutte, insomma.
  2. Il Sole permette la vita sulla Terra. Se capiamo bene come funziona il Sole, capiamo meglio come si è sviluppata la vita sulla Terra.
  3. Il vento solare alla fine arriva sulla Terra e interagisce con il campo magnetico. Certo, produce le aurore, ma può anche creare problemi alle orbite dei satelliti o in generale con la loro strumentazione. Capire come funziona il vento solare aiuta ad avere la tecnologia che ci serve sulla Terra bella e funzionante, e inoltre a sprecare meno soldi per manutenzioni varie.
  4. Non solo verso la Terra: il vento solare è ovunque nel sistema solare. Conoscere bene le proprietà del vento solare ci permette di essere preparati quando inviamo sonde e astronauti nello spazio.

A presto con nuovi aggiornamenti

Dunque, credo di aver raccontato quasi tutto.

Il primo incontro della sonda con il Sole avverrà a novembre 2018 e i primi dati ci arriveranno a dicembre 2018.

Quindi continuate a leggere e seguire Quantizzando: parleremo presto di nuovo di questa straordinaria missione spaziale.

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