In una strana mattina tropicale nella Baia di San Francisco, il terreno luccica di ondate di calore ed è impossibile guardare il cielo senza strabismo. Ma il vero calore è dentro il laboratorio solare e astrofisico Lockheed Martin a Palo Alto. Lì, in una stanza buia accatastata con processori per computer, una vista ad alta definizione del Sole riempie nove schermi TV congiunti per creare una stravaganza solare larga sette piedi e di qualità teatrale.
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Nuovi telescopi hanno offerto agli scienziati una vista senza precedenti del Sole, aiutandoli a comprendere meglio l'attività solare
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Il fisico solare Karel Schrijver digita i comandi per iniziare lo spettacolo: un filmato accelerato di una sequenza di esplosioni che ha colpito il Sole il 1 agosto 2010. "Questo è uno dei giorni più belli che abbia mai visto sul Sole", dice Schrijver . Sta guardando la nostra stella più vicina da due decenni.
"All'inizio questa piccola regione decide che non è felice", dice, suonando come uno psichiatra astronomico che affronta le nevrosi solari. Indica un bagliore, un modesto spasmo di luce biancastra. “Quindi, questa regione vicina inizia a diventare infelice e si accende. Quindi un enorme filamento esplode e taglia il campo [magnetico] come un coltello. Vediamo questo arco di materiale luminoso e cresce con il tempo. Un piccolo filamento sotto l'arco dice "Non mi piace un po '" e diventa instabile e si spegne. "
Chi sapeva che il Sole avesse così tanta personalità?
Nel giro di poche ore - accelerato fino a pochi minuti nel replay digitalizzato - gran parte del suo campo magnetico "si arrabbia", dice Schrijver, e si riorganizza, scatenando razzi e vaste eruzioni di gas magnetizzato. La reazione a catena è più vivida di qualsiasi rappresentazione di Hollywood. "Quando mostriamo questi film ai nostri colleghi per la prima volta", afferma Schrijver, "l'espressione professionale è generalmente" Whoa! ""
Il torrente di immagini proviene dal satellite più avanzato di sempre per studiare il Sole: il Solar Dynamics Observatory della NASA, o SDO. Lanciato nel febbraio 2010, SDO fissa la stella da un punto 22.300 miglia sopra la Terra. L'orbita del satellite lo mantiene in una posizione stabile in vista di due antenne radio nel New Mexico. Ogni secondo, 24 ore al giorno, SDO trasmette a terra 18 megabyte di dati. Le immagini ad alta risoluzione, così come le mappe dei campi magnetici torturati dal Sole, mostrano la genesi delle macchie solari e le origini delle loro esplosioni.
Questo film solare dovrebbe fornire nuove intuizioni sul tempo spaziale: gli impatti avvertiti sulla Terra quando le espulsioni del Sole si fanno strada. A volte il tempo è mite. Il 1 ° agosto 2010, le eruzioni hanno dato il via a manifestazioni colorate di aurora boreale negli Stati Uniti due giorni dopo, quando una tempesta in rapido movimento di gas carico ha disturbato il campo magnetico terrestre. Ma quando il sole si arrabbia davvero, l'aurora boreale può segnalare minacce potenzialmente disabilitanti.
La tempesta solare più intensa mai registrata ha colpito nell'estate del 1859. L'astronomo britannico Richard Carrington ha osservato una gigantesca rete di macchie solari il 1 ° settembre, seguita dal bagliore più intenso mai registrato. Entro 18 ore, la Terra era sotto assedio magnetico. L'aurora boreale abbagliante brillava fino a sud come il Mar dei Caraibi e il Messico, e fili scintillanti chiudevano le reti telegrafiche - Internet del giorno - in Europa e Nord America.
Una tempesta magnetica nel 1921 distrusse il sistema di segnalamento per le linee ferroviarie di New York City. Una tempesta solare nel marzo 1989 ha paralizzato la rete elettrica in Quebec, privando milioni di clienti di elettricità per nove ore. E nel 2003, una serie di tempeste ha causato blackout in Svezia, distrutto un satellite scientifico giapponese da $ 640 milioni e costretto le compagnie aeree a deviare i voli dal Polo Nord al costo di $ 10.000 a $ 100.000 ciascuno.
La nostra società elettronica moderna, connessa a livello globale, è ora così dipendente da trasformatori e sciami di satelliti lontani che una forte esplosione del Sole potrebbe farne crollare gran parte. Secondo un rapporto del 2008 del National Research Council, una tempesta solare delle dimensioni degli eventi del 1859 o del 1921 potrebbe zappare i satelliti, disabilitare le reti di comunicazione e i sistemi GPS e friggere le reti elettriche al costo di $ 1 trilione o più.
"Lo spazio intorno a noi non è così benevolo, amichevole e accomodante per la nostra tecnologia come avevamo immaginato", afferma Schrijver.
Documentando le origini di queste tempeste con dettagli senza precedenti, SDO offre ai ricercatori le migliori possibilità di comprendere le capacità distruttive del Sole. L'obiettivo è prevedere il tempo spaziale: leggere gli stati d'animo del Sole abbastanza in anticipo da poter prendere precauzioni contro di loro. Il successo dipenderà dallo sguardo attraverso la superficie del Sole per vedere esplosioni magnetiche mentre si sviluppano, più o meno allo stesso modo in cui i meteorologi usano un radar che penetra nelle nuvole per vedere i segni di un tornado prima che ruggisca a terra.
Ma per ora, l'attività del Sole è così complessa che le sue convulsioni confondono le migliori menti del campo. Quando è stato chiesto di spiegare la fisica che guida la violenza del Sole, lo scienziato SDO Philip Scherrer dell'Università di Stanford non trita parole: "Fondamentalmente non lo sappiamo".
La nostra stella madre è a soli otto minuti di distanza, mentre la luce vola. Il Sole ottiene più tempo del telescopio di qualsiasi altro oggetto nello spazio e la ricerca è un'impresa globale. Il satellite di maggior successo prima di SDO, una missione congiunta della NASA-Agenzia spaziale europea chiamata Osservatorio solare ed eliosferico (SOHO), invia ancora immagini del Sole 15 anni dopo il suo lancio. Un esploratore più piccolo ora nello spazio, chiamato Hinode, è una collaborazione Giappone-NASA che studia come i campi magnetici del Sole immagazzinano e rilasciano energia. E la missione della NASA Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO) consiste in due satelliti quasi identici che viaggiano nell'orbita terrestre, uno davanti al nostro pianeta e uno dietro. I satelliti consentono agli scienziati di creare immagini tridimensionali di espulsioni solari. Ora sui lati opposti del Sole, lo scorso febbraio hanno scattato la prima foto dell'intera superficie del Sole. Sul terreno, i telescopi nelle Isole Canarie, in California e altrove esaminano il Sole con tecniche che eliminano gli effetti sfocati dell'atmosfera terrestre.
Il sole è una sfera rotante di gas abbastanza grande da contenere 1, 3 milioni di terre. Il suo nucleo è una fornace di fusione nucleare, che converte 655 milioni di tonnellate di idrogeno in elio ogni secondo ad una temperatura di 28 milioni di gradi Fahrenheit. Questa fusione crea energia che alla fine ci raggiunge come luce solare. Ma il nucleo e gli strati interni del Sole sono così densi che potrebbero essere necessari un milione di anni affinché un fotone di energia combatta solo due terzi dell'uscita. Lì raggiunge quella che i fisici solari chiamano la "zona convettiva". Al di sopra di questo è uno strato sottile che percepiamo come la superficie del Sole. I gas solari continuano nello spazio oltre questo bordo visibile in un'atmosfera ardente e calda chiamata corona. Un tenue vento solare soffia attraverso l'intero sistema solare.
Le cose si fanno particolarmente interessanti nella zona convettiva. Gyres giganti di gas carico salgono e scendono, come in una pentola di acqua bollente, solo più turbolenti. Il Sole ruota a velocità diverse, circa una volta ogni 24 giorni al suo equatore e più lentamente, circa ogni 30 giorni, ai suoi poli. Questa differenza di velocità taglia il gas e aggroviglia le sue correnti elettriche, alimentando i campi magnetici del Sole. Il campo magnetico complessivo ha una direzione, proprio come i poli nord e sud della Terra attirano le nostre bussole. Tuttavia, il campo del Sole è pieno di curve e curve, e ogni 11 anni si ribalta: il polo nord diventa il sud, quindi di nuovo a nord 11 anni dopo. È un ciclo dinamico che gli scienziati non comprendono pienamente ed è al centro della maggior parte degli sforzi per capire come si comporta il Sole.
Durante questi capovolgimenti, il profondo campo magnetico del Sole diventa davvero nodoso. Si alza e sporge attraverso la superficie visibile per creare macchie solari. Queste macchie scure di gas sono più fredde rispetto al resto della superficie del Sole perché i campi magnetici annodati agiscono come barriere, impedendo a parte dell'energia del Sole di sfuggire nello spazio. I campi nelle macchie solari possono potenzialmente esplodere. Sopra le macchie solari, il campo magnetico del Sole si snoda e turbina attraverso la corona. Queste contese innescano le esplosioni sugli schermi dei video di Lockheed a Palo Alto.
Schrijver e il suo capo, Alan Title, hanno lavorato insieme per 16 anni, abbastanza a lungo per completare le reciproche sentenze. L'ultima creazione del loro gruppo, l'Atmosenic Imaging Assembly - una serie di quattro telescopi che fotografano gas a milioni di gradi nella corona - è uno dei tre strumenti distribuiti su SDO. La NASA la confronta con una fotocamera IMAX per il sole.
"Questa bolla di gas che soffia è 30 volte il diametro della Terra, muovendosi a un milione di miglia all'ora", dice Title, indicando sullo schermo un vortice rosso in espansione catturato da SDO poco dopo il lancio del satellite. E, osserva quasi per caso, questa è stata un'eruzione abbastanza lieve.
I campi magnetici mantengono i gas del Sole in linea mentre si inarcano nello spazio, dice Title, proprio come un magnete a barra mette le limature di ferro in schemi accurati. Più i campi diventano aggrovigliati, meno sono stabili. Le esplosioni solari si verificano quando i campi magnetici si innestano in un nuovo modello, un evento che i fisici chiamano "riconnessione".
Un tipico scoppio solare espulso verso la Terra, chiamato espulsione di massa coronale, potrebbe contenere dieci miliardi di tonnellate di gas caricato che corre attraverso lo spazio. "Devi immaginare un insieme di forze sufficienti per lanciare tutta l'acqua nel fiume Mississippi a una velocità 3.000 volte più veloce di un aereo a reazione, in 15-30 secondi", dice, fermandosi un momento per lasciarlo affondare "Non esiste controparte di questo sulla Terra. Abbiamo difficoltà a spiegare questi processi. "
Le precedenti missioni solari avevano scattato istantanee sfocate di grandi espulsioni di massa coronale. Altri telescopi ingrandivano per dettagli precisi, ma potevano concentrarsi solo su una piccola parte del sole. L'elevata risoluzione di SDO di un intero emisfero del Sole e le sue registrazioni a fuoco rapido rivelano come la superficie e l'atmosfera cambiano di minuto in minuto. Alcune caratteristiche sono così inaspettate che gli scienziati non le hanno ancora nominate, come un modello di gas simile a un cavatappi che Schrij-ver traccia sullo schermo con un dito. Pensa che sia un campo magnetico a spirale visto lungo il suo bordo, che si allaccia attraverso il gas mentre sale nello spazio. "È come se [il gas] venisse sollevato nelle imbragature", dice.
Prima che la missione avesse un anno, gli scienziati avevano analizzato centinaia di eventi, coprendo molte migliaia di ore. (Hanno scoperto che le eruzioni del 1 ° agosto sono state collegate da "zone di faglia" magnetiche che si estendono per centinaia di migliaia di miglia.) Il team sta lavorando sotto pressione, dalla NASA e altrove, per migliori previsioni del tempo spaziale.
"Buon Dio, questo è complicato", dice Schrijver, recitando un film sull'umore del Sole in un altro giorno. "Non esiste una giornata tranquilla sul sole".
A pochi chilometri di distanza, nel campus di Stanford, il fisico solare Philip Scherrer sta lottando con la stessa domanda che anima il gruppo Lockheed Martin: saremo in grado di prevedere quando il Sole scaglierà cataclisma il gas caricato verso la Terra? "Vorremmo dare una buona stima se una determinata regione attiva produrrà razzi o espulsioni di massa, o se andrà semplicemente via", dice.
Scherrer, che utilizza un downlink satellitare per la ricezione televisiva, spiega l'impatto del tempo spaziale ricordando un evento del 1997. "Un sabato, ci siamo svegliati e tutto ciò che abbiamo visto è stato fuzz", dice. Un'espulsione di massa coronale aveva spazzato via la Terra la sera prima. La nuvola magnetica apparentemente ha eliminato il satellite Telstar 401 utilizzato da UPN e altre reti.
"L'ho preso sul personale, perché era" Star Trek "[non ero in grado di guardare]", dice Scherrer con un sorriso ironico. "Se fosse successo la mattina del Super Bowl, tutti l'avrebbero saputo."
Il team di Scherrer e gli ingegneri Lockheed Martin hanno sviluppato l'eliosismico e l'imager magnetico SDO, uno strumento che sonda l'interno ribollente del Sole e monitora la direzione e la forza del campo magnetico, creando mappe in bianco e nero chiamate magnetogrammi. Quando arrivano le macchie solari, le mappe mostrano turbolenze magnetiche alle basi delle strutture ad arco nell'atmosfera del Sole.
Lo strumento misura anche le vibrazioni sulla superficie del Sole. Sulla Terra, i sismologi misurano le vibrazioni superficiali per rivelare i guasti del terremoto e le strutture geologiche molto sotterranee. Sul Sole, le vibrazioni non provengono dai terremoti ma dalle pulsazioni causate dai gas che si alzano e scendono sulla superficie a velocità di circa 700 miglia all'ora. Mentre ogni goccia di gas si schianta, spinge le onde sonore verso il Sole e fanno oscillare l'intera stella. Il dispositivo di Scherrer misura queste vibrazioni sulla faccia del Sole.
La chiave, afferma Scherrer, uno dei massimi esperti di eliosismologia, come è noto questa scienza, è che le onde sonore si muovono più velocemente attraverso gas più caldi, come nodi turbolenti molto al di sotto della superficie che spesso presagiscono le macchie solari. Le onde sonore inoltre accelerano quando si muovono attraverso i gas che scorrono nella stessa direzione. Sebbene queste misurazioni creino incubi matematici, i computer possono creare immagini di ciò che sta accadendo sotto la superficie del Sole.
In questo modo, il team di Scherrer può rilevare le macchie solari sul lato opposto del Sole giorni prima che ruotino in vista e prima che siano in grado di emettere particelle e gas dannosi verso la Terra. Gli scienziati sperano anche di individuare le regioni attive che ribollono dall'interno del Sole un giorno o più prima che siano visibili come macchie solari.
Queste tecniche forniscono anteprime delle prossime attrazioni. La sfida, afferma Scherrer, sta trovando i giusti segni di entanglement magnetico che - come le immagini radar di un tornado di nuova formazione - danno avvertimenti affidabili. Alcuni ricercatori hanno analizzato le forme dei campi magnetici, osservando che una particolare curvatura a forma di S spesso preannuncia uno scoppio. Altri osservano se la forza magnetica attraverso il centro di una macchia solare cambia rapidamente, un'indicazione che potrebbe essere pronta a scattare.
Scherrer richiama alcune immagini sul suo schermo, scusandosi per non competere con i film di Lockheed. Le immagini eliosismiche mi ricordano la superficie squallida di un'arancia, con noduli di gas che si innalzano verso l'alto attraverso l'intera sfera del Sole. La grafica magnetica getta il Sole in toni di grigio chiazzato, ma quando Scherrer ingrandisce, le macchie bianche e nere diventano macchie irregolari. Questi sono i nastri di forza magnetica, che colpiscono dentro o fuori la superficie in costante movimento del Sole.
Quando le linee del campo magnetico si ricollegano in alto nell'atmosfera del Sole, dice Scherrer, “è molto simile a un corto circuito quando si toccano due fili con una corrente. L'energia che scorre nella corrente si trasforma in calore o luce. ”Le improvvise scintille scendono lungo il campo magnetico e colpiscono la superficie del Sole, innescando un potente bagliore.
Il più forte dei campi magnetici arcuati del Sole può intrappolare miliardi di tonnellate di gas al di sotto di essi, ponendo le basi per espulsioni di massa coronale. Quando una riconnessione magnetica rilascia improvvisamente tutta quella tensione, il gas si solleva nello spazio con il vento solare. "È come tagliare la corda su un pallone ad elio", dice Scherrer.
Studiando molti di questi eventi, Scherrer pensa che lui e i suoi colleghi possano escogitare un sistema che classifica le probabilità del Sole puntando un'eruzione sulla Terra, una scala che potrebbe andare da "tutto chiaro" a "prendere precauzioni". Tali linee guida non sarebbero previsioni, ammette, e riconosce anche che le previsioni solari non possono mai competere con le previsioni meteorologiche terrene. La previsione solare richiede al team di confrontare le attività recenti sul Sole con i modelli di computer. Ma i modelli sono così coinvolti che quando il computer spara una risposta, il Sole potrebbe già essere spuntato o rimanere in silenzio.
Una delle più grandi sorprese solari degli ultimi 50 anni non è stata qualcosa che il Sole ha fatto ma qualcosa che non ha fatto: non ha prodotto molte macchie solari per la maggior parte del 2008 e del 2009. “Saremmo andati a 60, 70, 80, 90 giorni senza una sola macchia solare ", afferma il direttore scientifico della NASA Tony Phillips, che pubblica in modo indipendente SpaceWeather.com. “Durante la vita dei fisici solari, nessuno l'aveva visto. Ha sorpreso l'intera comunità. "
Nessuno sa cosa abbia causato la quiete inquietante. Apparentemente il profondo campo magnetico non si è attorcigliato nel suo solito modo, forse perché le correnti elettriche all'interno del Sole si sono indebolite. Alcuni scienziati hanno ipotizzato che il Sole si stesse spegnendo, almeno temporaneamente. Un gruppo di fisici solari ha studiato questi cambiamenti e ha previsto che l'attività del Sole potrebbe raggiungere solo la metà dei suoi livelli recenti nel suo prossimo ciclo di macchie solari di 11 anni. Ciò potrebbe avere conseguenze minori per i cambiamenti climatici. Nel secolo scorso, l'attività umana ha superato di gran lunga le modulazioni del Sole nell'influenzare il clima terrestre. Se il modello di attività solare ridotta continua attraverso un altro dei cicli del Sole e oltre, la sottile diminuzione di energia dal Sole potrebbe compensare leggermente il riscaldamento globale.
Si prevede che il Sole raggiungerà l'apice del suo attuale ciclo di macchie solari alla fine del 2013 o all'inizio del 2014. Ma non c'è motivo di pensare che un Sole più tranquillo rimarrà tale. "Il più grande evento particellare e la tempesta geomagnetica nella storia registrata" - l'evento del 1859 osservato da Carrington - "si è verificato durante un ciclo solare delle stesse dimensioni di quello che stiamo proiettando nei prossimi due anni", afferma Phillips. Inoltre, un recente studio di Suli Ma e colleghi presso il Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian ha mostrato che un terzo delle tempeste solari che colpiscono la Terra sorgono senza bagliori solari o altri segnali di avvertimento. Questi attacchi furtivi suggeriscono che il Sole può essere pericoloso anche quando appare silenzioso.
Non c'è modo di proteggere la Terra dalle eruzioni del Sole; potenti tempeste interromperanno sempre il campo magnetico del nostro pianeta. Ma l'avviso anticipato può limitare il loro impatto. Le precauzioni includono la riduzione dei carichi di potenza per prevenire sovratensioni sulle linee elettriche, la messa in modalità elettronica dei satelliti e, nel caso della NASA, il dire agli astronauti di rifugiarsi all'interno delle parti più fortificate del loro veicolo spaziale.
Anche con queste misure, un evento grave come le tempeste solari del 1859 o del 1921 causerebbe il caos, afferma il fisico solare e spaziale Daniel Baker dell'Università del Colorado, autore principale del rapporto del National Research Council del 2008. Le persone diventano sempre più dipendenti dalla tecnologia delle comunicazioni di anno in anno, afferma Baker, rendendoci sempre più vulnerabili al caos elettromagnetico. "Questi eventi [gravi] si verificano probabilmente ogni decennio", afferma. "È solo una questione di tempo prima che uno di loro ci colpisca."
Baker e i suoi colleghi hanno sollecitato la NASA e la National Oceanic and Atmospher Administration, che gestisce lo Space Weather Prediction Center di Boulder, in Colorado, a sviluppare un sistema di satelliti di avvertimento spazio-meteo. Oggi l'unico strumento in grado di determinare la direzione del campo magnetico all'interno di un'espulsione di massa coronale in avvicinamento - un fattore critico per determinare con quanta violenza interagirà con la Terra - è su un satellite di 13 anni che non ha sostituzioni a breve termine.
"Il sole è una stella molto variabile", avverte Baker. “Viviamo nella sua atmosfera esterna e il bozzolo cyber-elettrico che circonda la Terra è soggetto ai suoi capricci. Faremo meglio a fare i conti con quello. ”
Robert Irion dirige il programma di scrittura scientifica presso l'Università della California a Santa Cruz.
Un'estrema immagine ultravioletta del sole. Le regioni blu sono le più calde, a 1, 8 milioni di gradi Fahrenheit. (NASA / GSFC / AIA) 
Quando un'espulsione di massa coronale raggiunge la Terra, le particelle solari scorrono lungo le linee del campo magnetico, eccitano i gas nell'atmosfera e brillano come aurora boreale (in Manitoba). (Federico Buchbinder) 
Il Solar Dynamics Observatory, mostrato qui nella concezione di un artista, è stato lanciato nel 2010 e offre una vista senza precedenti del Sole. (NASA) 
Una settimana tempestosa sul Sole è culminata in eruzioni il 1 ° agosto 2010, che hanno illuminato l'aurora boreale sopra gli Stati Uniti. (NASA) 
È stato "uno dei giorni più belli che abbia mai visto sul Sole", afferma Karel Schrijver delle eruzioni dell'agosto 2010. (John Lee / Aurora Select) 
Le osservazioni dell'Osservatorio sulla dinamica solare mostrano una sorprendente complessità sulla superficie del Sole. I venti solari scorrono nello spazio da un oscuro "buco coronale". (NASA) 
Un filamento magnetico che danza attraverso l'emisfero meridionale del Sole è lungo circa 340.000 miglia, o circa il 40 percento più lungo della distanza dalla Terra alla Luna. (Didier Favre) 
Un bagliore solare che esplode dal Sole traccia anelli luminosi magnetici. (NASA) 
Philip Scherrer, vicino all'osservatorio solare di Stanford, usa l'elioseismologia e l'imaging magnetico per comprendere le strutture profonde del Sole e vedere cosa sta accadendo sul lato opposto della stella, prima che i potenziali problemi si manifestino. (John Lee / Aurora Select) 
Un'immagine magnetica del sole. (NASA) 
Gli strumenti dell'Osservatorio sulla Dinamica Solare inviano immagini del Sole in diverse lunghezze d'onda. Una lunghezza d'onda di un'espulsione di massa coronale l'estate scorsa mostra un'esplosione di radiazioni e materiale magnetizzato che erutta dal Sole. (NASA) 
Questa lunghezza d'onda fornisce un'immagine più chiara dell'onda di scoppio mentre l'eruzione si diffonde sulla superficie del Sole. (NASA)
