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Perché l’atmosfera del Sole è molto più calda rispetto alla superficie

L'atmosfera esterna del Sole è centinaia di volte più calda della sua superficie. Questa curiosità costituisce un enigma per gli scienziati da molti decenni. Una recente ricerca prova a dare una spiegazione al fenomeno, confermando la teoria prevista dal premio Nobel per la fisica del 1970.

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Quanto è calda la nostra Stella

Supponiamo per un momento di fare un viaggio al centro della nostra stella, il Sole, per poi spostarci verso le zone più esterne, quindi superficie e atmosfera. Attraversando questa gigantesca palla di gas, muovendoci lungo il suo raggio, vedremmo delle differenze di temperature gigantesche. E’ infatti ben noto che il cuore della nostra stella è così caldo da raggiungere circa 15 milioni di gradi Celsius. Allontanandoci dal nucleo sempre a bordo della nostra fantasiosa navicella, sulla superficie del Sole (nello specifico sulla fotosfera) troviamo una temperatura drasticamente più bassa, circa 5500 gradi Celsius.

I diversi layer caratteristici della nostra stella, il Sole. Nella regione più esterna sono visibili fotosfera, cromosfera, e corona, strati interessati dalle grandi differenze di temperatura determinate dalle onde di Alfvén. Crediti: Siberian Art/Shutterstock.
I diversi layer caratteristici della nostra stella, il Sole. Nella regione più esterna sono visibili fotosfera, cromosfera, e corona, strati interessati dalle grandi differenze di temperatura determinate dalle onde di Alfvén. Crediti: Siberian Art/Shutterstock.

Fin qui tutto sembra seguire un ragionamento logico, ovvero, l’energia prodotta nel nucleo mediante reazioni nucleari si diffonde verso le regioni più esterne. Tale radiazione di energia, sotto forma principalmente di raggi X e raggi Gamma, determina l’abbassamento di temperatura passando dal nucleo alla superficie. Tuttavia, allontanandoci ancora di più dalla superficie troviamo una situazione singolare.

In particolar modo, accade che gli strati più esterni dell’atmosfera solare sono molto più caldi rispetto alla superficie della stessa stella. Passando infatti dalla cromosfera alla zona di transizione e successivamente alla corona, abbiamo temperature che possono variare tra 1 e 10 milioni di Celsius. Questi valori, centinaia di volte superiori alle temperature superficiali, costituiscono un enigma per gli scienziati da decine di anni.

L’enigma e le domande sulle temperature del Sole

Questa drastica differenza tra temperatura della fotosfera e della corona, costituisce un grande enigma per la comunità scientifica. Come può la nostra stella diventare centinaia di volte più calda quando ci allontaniamo dal suo nucleo di alcune migliaia di chilometri?

Una prima spiegazione arrivò nel 1942 da Hannes Alfvén (premio Nobel fisica 1970) il quale parlò di onde di plasma. Il fisico svedese sviluppò una teoria secondo cui delle onde di plasma magnetizzato potessero trasportare incredibili quantità di energia attraverso il campo magnetico solare. Quindi, tali onde sarebbero in grado di trasferire energia, partendo dal nucleo e passando per fotosfera e corona, per poi esplodere come fossero delle bombe di calore nelle zone più esterne dell’atmosfera solare.

Qualcosa di misterioso accade al Sole. Allontanandoci dalla sua superficie, l’atmosfera del Sole diventa ancora più calda.

Dalle prime osservazioni alla teoria di Alfvén sul Sole

Nel corso degli anni l’uomo ha potuto conoscere e studiare la corona solare grazie al fenomeno delle eclissi solari. Infatti, prima dell’arrivo delle sonde spaziali odierne capaci di investigare le zone più lontane dell’universo, l’unico modo per osservare la corona era quello di aspettare l’eclissi totale. In quel caso la particolare posizione della Luna oscura la parte più luminosa del Sole, rendendo visibile la corona.

Fenomeno di eclissi solare totale del 21 Agosto 2017 osservato dall'Oregon. Ciò che conosciamo circa la corona solare è strettamente collegato alla storia delle eclissi solari. Crediti: NASA’s Goddard Space Flight Center/Gopalswamy
Fenomeno di eclissi solare totale del 21 Agosto 2017 osservato dall’Oregon. Ciò che conosciamo circa la corona solare è strettamente collegato alla storia delle eclissi solari. Crediti: NASA’s Goddard Space Flight Center/Gopalswamy

Coronium, un nuovo elemento fisico?

Proprio durante una di queste osservazioni, nel 1869 alcuni scienziati rilevarono una particolare ed inaspettata linea spettrale. Gli scienziati analizzano la luce derivante dal Sole mediante spettrometro per risalire alla composizione dell’elemento radiante. Infatti, ogni emissione è caratterizzata da una lunghezza d’onda che a sua volta è determinata dal tipo di elemento. Tuttavia, l’osservazione effettuata nel 1869 fu unica nel suo genere, infatti quella linea spettrale verde non era mai stata osservata prima. Di conseguenza, gli scienziati del furono molto felici pensando di aver scoperto un nuovo elemento, chiamandolo così Coronium.

Circa 70 anni dopo, a fine anni ’30, la gioia di tale scoperta venne cancellata dal lavoro fatto dagli astrofisici Bengt Edlén e Walter Grotrian. Essi scoprirono che quella particolare emissione non era data da alcun Coronium. Bensì, si trattava di Ferro altamente ionizzato, caratterizzato dalla metà degli elettroni presenti in un atomo di Ferro normale. Subito dopo, con gran stupore per i due astrofisici, si calcolò che quel livello di ionizzazione (che causava quella emissione) richiedeva la presenza di temperature nella corona del Sole di più di 1 milione di gradi Celsius. E’ qui che ebbe inizio l’enigma riguardante il calore dell’atmosfera solare.

Verso la spiegazione del calore dell’atmosfera del Sole

Le scoperte di Edlén e Grotrian hanno dato il via ai grattacapi per i ricercatori. Così la comunità scientifica ha iniziato a cercare la risposta tra le proprietà principali del Sole. In particolare, la nostra stella è composta da plasma, ovvero materiale gassoso altamente ionizzato caratterizzato da elevata carica elettrica. Il movimento del plasma nella zona convettiva determina la generazione di grandissime correnti elettriche e campi magnetici molto forti. Tali campi magnetici vengono trascinati all’interno del Sole per opera della convezione, per poi manifestarsi sulla superficie sotto forma di macchie solari scure le quali caratterizzano varie strutture magnetiche di intensità significativa.

Sopra la superficie solare, la corona si estende per milioni di chilometri. Il plasma caratteristico della corona solare e le interazioni con il forte campo magnetico determinano la presenza del vento solare. Crediti: NASA’s Goddard Space Flight Center/Lisa Poje/Genna Duberstein
Sopra la superficie solare, la corona si estende per milioni di chilometri. Il plasma caratteristico della corona solare e le interazioni con il forte campo magnetico determinano la presenza del vento solare. Crediti: NASA’s Goddard Space Flight Center/Lisa Poje/Genna Duberstein

A questo punto entra in gioco la teoria di Alfvén. Essa presuppone che all’interno del plasma solari si creino delle onde in grado di trasportare enormi quantità di energie lungo vaste distanze, come quella presente tra superficie e atmosfera solare. La teoria, in seguito premiata col Nobel del 1970, afferma quindi che il calore viaggia attraverso dei solar magnetic flux tubes fino ad arrivare nella corona, dove avvengono le esplosioni responsabili del repentino aumento di temperatura.

L’osservazione delle onde di Alfvén e gli sviluppi futuri

L’evidenza di tali onde di Alfvén e dei tubi di flusso ha costituito un punto irrisolto per molti anni. Grazie al recente sviluppo tecnologico ed alle innovazioni introdotte nei nuovi strumenti telescopici, è stato possibile osservare la fisica del Sole con una precisione elevata. In questo caso, una recente ricerca condotta da un team di scienziati provenienti da 7 istituti di ricerca, ha finalmente potuto confermare l’esistenza delle onde di Alfvén. Alla base di questa importante rivelazione ci sono state le osservazioni fatte mediante Interferometric Bidimensional Spectropolarimeter, installato sul Dunn Solar Telescope in New Mexico, insieme ad avanzate simulazioni numeriche condotte al computer.

I misteri celati dal Sole, il Solar Orbiter fornirà dettagli utili a spiegare la calda atmosfera esterna della nostra stella. Video Crediti: ESA.

Questa scoperta sensazionale permette di approfondire ulteriormente le nostre conoscenze sul Sole. Inoltre, grazie ai futuri dati derivanti da nuovi telescopi solari e dal Solar Orbiter ESA (attualmente in funzione) sarà possibile studiare nel dettaglio i processi che avvengono all’interno del Sole che portano al fenomeno di fusione nucleare. Tutti questi passaggi potrebbero portarci un giorno ad essere in grado di riprodurre qui sulla Terra gli stessi processi. Sarebbe così possibile sfruttare un metodo di generazione di energia promettente, che tuttavia oggi rimane ancora un miraggio.