Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

Sono millenni che gli astronomi di tutte le culture osservano il Sole, ma sembra che qualcosa stia cambiando nella stella che c’illumina. Secondo Richard Willson, che ha appena completato uno studio finanziato dalla Nasa negli ultimi decenni la quantità di radiazione emessa dal Sole nei periodi di bassa attività delle macchie solari è aumentata di quasi lo 0,05 per cento ogni dieci anni. «La scoperta è importante» spiega Richard Willson, «perché, se questa tendenza dovesse essere confermata, potrebbe produrre significativi cambiamenti climatici sulla Terra». I dati certi coprono un arco di tempo di 25 anni. Ora spetta ai climatologi distinguere fra le influenze sul clima, quelle dovute all’aumento d’intensità della radiazione del Sole da quelle causate dall’uomo. Certo non è cosa di poco conto, perché stiamo parlando di studiare l’evoluzione di una stella di due miliardi di miliardi di miliardi di tonnellate, un numero inconcepibile alla nostra mente, ma questa è la massa (con il permesso dei fisici potremmo anche dire il peso) del nostro Sole, pari al 99,9% di quella di tutto il Sistema solare. Per avere un’idea del suo diametro, che è di 1.392.000 km, è necessario mettere in fila 109 Terre. La sua composizione è semplice: per il 74% idrogeno, il resto è prevalentemente elio e altri elementi in piccole percentuali. Una carta d’identità che possiede anche un segno particolare: la temperatura. Al suo nucleo misura 15 milioni di gradi centigradi, alla superficie 5.700 gradi (più o meno identica a quella del nucleo terrestre), ma poi, verso la corona, lo strato più esterno della stella, la temperatura ritorna a toccare i milioni di gradi. Perché? Un mistero a lungo studiato e discusso, per il quale, proprio in questi ultimi mesi, sembra essere stata trovata la soluzione. Un gruppo di astronomi della Nasa, infatti, avrebbe individuato la fonte di tale energia nei getti di gas caldissimo che, come fontane incandescenti, s’innalzano per mezzo milione di chilometri al di sopra della superficie. Analizzando i dati raccolti dai satelliti Trace (Transitional region and coronal explore) e Soho (Solar and heliospheric observatory), gli astronomi ipotizzano che alla base del fenomeno vi sia l’azione del campo magnetico della stella. Spiega Theodore Tarbell del Laboratorio di astrofisica Lockheed-Martin di Palo Alto, in California, tra i maggiori esperti del settore: « possibile che la temperatura così elevata della corona possa essere generata dalla collisione dei campi magnetici che avvolgono la superficie del Sole». Per capire questa affermazione è necessario fare un passo indietro nel tempo. Già da una decina di anni, grazie a Soho, sono state identificate molte linee di campi magnetici sulla superficie visibile del Sole, la fotosfera, che formano un sistema denso di archi che si chiudono sulla superficie stessa. Tali archi appaiono in continuazione, si fondono in modo esplosivo e poi svaniscono. Sembrava abbastanza evidente che il fenomeno fosse in qualche modo responsabile del riscaldamento della base della corona, ma non era chiaro come potesse trasferire così tanta energia attraverso la regione di transizione, uno strato sottile sotto la corona, nel quale le temperature crescono di quasi 200 volte. Le ripetute osservazioni sembrerebbero aver chiarito il mistero: gli strumenti a bordo dei satelliti, infatti, hanno osservato lo stesso punto della stella per oltre 2 ore, registrando i campi magnetici in superficie e gli impulsi di luce che dalla fotosfera si propagano verso la cromosfera (la regione di transizione) e più sopra verso la corona. I dati hanno permesso a Tarbell e a Margarita Ryutova del Lawrence Livermore National Laboratory, di determinare il modo con il quale l’energia viene spinta in alto, verso la corona appunto. Quando due circoli chiusi magnetici di polarità opposta si fondono, la tensione fionda il plasma (il materiale di particelle cariche elettricamente) verso l’alto a velocità supersonica. Le onde d’urto risultanti viaggiano fino alla base della corona, dove continuano a propagarsi come in una valanga. Il riscaldamento fino a qualche milione di gradi sarebbe dovuto alle collisioni che si susseguono tra gli ioni e gli atomi. Conoscere come funziona l’interno della corona permetterebbe di capire come viene accelerato il vento solare, il flusso di particelle come protoni ed elettroni, proiettate ad alta velocità verso lo spazio e verso la Terra. Il vento solare viaggia così velocemente da percorrere 150 milioni di km tra il Sole e la Terra nel giro di qualche giorno, anche se, in occasione di un’intensa attività magnetica della stella, alcune particelle possono raggiungere il nostro pianeta in poche ore. Un esempio di cosa può succedere sulla Terra? la mattina del 14 luglio 2000. Lo Space Environment Center di Boulder, nel Colorado, riceve un segnale di richiamo dal satellite GOES-8, il cui compito, tra l’altro, è quello di rilevare i raggi X di origine solare. Il dato è chiaro: dal Sole è in atto un brusco aumento nell’intensità dei raggi X provenienti da una zona della superficie solare che mostra una notevole turbolenza da circa una settimana. Il fenomeno viene rilevato anche dalla sonda Soho, la quale, a un certo punto, osserva una nube luminosa in espansione che via via circonda il Sole come un alone. Miliardi di tonnellate di particelle elettricamente cariche sono sparati nello spazio interplanetario. L’aspetto dell’alone non lascia dubbi: le particelle puntano verso la Terra a una velocità di 1700 km al secondo. L’eruzione crea un’onda d’urto che accelera le particelle cariche. In poco meno di tre quarti d’ora una nube di protoni ad alta energia avvolge Soho e mette temporaneamente fuori uso gli strumenti. Poi il fronte dell’uragano solare arriva sulla Terra e s’infrange sul campo magnetico terrestre. L’impatto dà il via alla più intensa tempesta geomagnetica dell’ultimo decennio che ha causato la perdita del satellite nippo-americano Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics, e un black-out della rete Gps per diverse ore. Oltre alla carta d’identità il Sole deve possedere anche la patente da corridore. Esso, infatti, si muove a circa 71.000 km all’ora attorno al centro della Galassia, percorrendo un intero giro attorno al suo nucleo in 225 milioni di anni. Come i pianeti ruota su se stesso, solo che, a differenza della Terra che è un corpo solido e rigido, all’equatore i gas impiegano 25 giorni per compiere una rotazione, mentre ai poli 34 giorni. Ciò che avviene nel suo nucleo ci è noto soprattutto dalla fisica teorica, ma anche da un insieme di dati ottenuti con le osservazioni dirette. L’energia che ci arriva da esso sotto forma di luce e di calore trova origine nella fusione nucleare che avviene nelle parti più interne della stella. La sua gigantesca massa fa sì che le regioni profonde del Sole, quelle che costituiscono il suo nucleo, che ha un raggio di circa 200.000 km, vengano compresse fino a raggiungere le temperature che innescano la fusione nucleare dell’idrogeno. In questo processo quattro nuclei di tale gas si trasformano in un nucleo di elio. Ma la massa di quest’ultimo è leggermente minore rispetto alla somma delle masse dei nuclei d’idrogeno che fondono, la massa mancante è l’energia emessa. Durante la fusione ogni secondo vede la trasformazione di 594 milioni di tonnellate d’idrogeno in 590 milioni di tonnellate di elio. I 4 milioni di tonnellate mancanti diventano energia per la legge E=mc2, dove E è l’energia prodotta, m la massa trasformata in energia e c la velocità della luce. L’energia che si produce in un secondo è paragonabile a quella che produrrebbero 400 milioni di centrali nucleari di media grandezza. Ma una volta prodotta l’energia, essa non raggiunge subito la superficie del Sole. I fotoni, che sono l’energia che s’irradia verso l’alto, sono costretti a compiere un tortuoso cammino e solo dopo una decina di milioni di anni raggiungono la sua superficie e si liberano nello spazio. La radiazione viaggia all’interno del Sole in modi diversi: nelle zone prossime al nucleo il trasporto energetico è di tipo radioattivo, ciò vuol dire che vi è un continuo assorbimento e riemissione di fotoni da parte del gas estremamente denso; nelle zone più esterne, invece, l’energia si trasmette per convezione, un processo simile a quello che si verifica in una pentola con dell’acqua che bolle su un fornello: il gas più caldo tende a salire, cede energia, si raffredda e ridiscende. La fotosfera, letteralmente ”sfera di luce”, rappresenta la superficie visibile del Sole anche se, poiché il Sole è gassoso, una superficie vera e propria di fatto non esiste. A un attento esame, la fotosfera non è uniforme, ma presenta un aspetto granulare. I grani luminosi sono le sommità di colonne, ampie centinaia di chilometri, di gas caldo che sale dalle zone sottostanti. Si notano anche regioni più chiare, di forma irregolare, in cui il campo magnetico è leggermente più intenso: sono le faculae. Fino a qualche mese fa la fusione dei nuclei d’idrogeno possedeva un mistero di difficile soluzione, che solo recentemente è stato svelato. Il mistero riguardava l’evanescente mondo dei neutrini mancanti. I neutrini sono particelle che si comportano da veri fantasmi, perché possono attraversare la materia a miliardi al secondo senza interagire con essa. Sono invisibili, non hanno carica elettrica e sono dotati di una massa piccolissima; per catturarli bisogna costruire sofisticati laboratori nelle viscere delle montagne. Al momento ne sono stati scoperti tre tipi: l’elettronico, il muonico e il tau. Essi si creano nel nucleo del Sole durante i processi di fusione. Della gigantesca quantità di energia che produce la nostra stella durante la fusione, circa il 3% viene emesso sotto forma di neutrini, che impiegano otto minuti per arrivare sul nostro pianeta, si muovono cioè alla velocità della luce. Dalla fisica teorica risulta che le reazioni nucleari del Sole producono solo neutrini di tipo elettronico, ma quando i fisici catturano queste particelle nei laboratori rilevano un numero di neutrini elettronici molto più basso rispetto alle previsioni. Nei mesi scorsi, tuttavia, alcuni risultati sperimentali hanno dimostrato che questo problema si presenta perché alcuni dei neutrini elettronici che lasciano il Sole per raggiungere la Terra, durante il tragitto si trasformano in neutrini muonici o tau, che sono molto più difficili da osservare rispetto ai primi. Spiega Art McDonald della Queen’s University canadese, direttore del progetto di ricerca: «Questi risultati dimostrano in modo semplice, chiaro e accurato che i neutrini elettronici si trasformano in un altro tipo. Questo fenomeno di mutazione fa sì che il numero totale di neutrini che osserviamo sia in ottimo accordo con i calcoli teorici che riguardano le reazioni nucleari che avvengono nel Sole». La quantità di idrogeno nel nucleo è tale che il processo di fusione può durare circa 10 miliardi di anni. Ora, poiché il Sole è una stella di mezza età, significa che tra 5 miliardi di anni la fusione cesserà e la nostra stella diventerà più fredda e meno luminosa, si trasformerà cioè in una ”gigante rossa”, un vero drago. I suoi strati esterni infatti, si espanderanno inghiottendo i pianeti più vicini, forse anche la Terra, dopodiché finirà la sua vita come nana bianca, diventerà cioè, una stella molto densa, ma poco luminosa, e si spegnerà dopo miliardi e miliardi di anni. Ma torniamo alla superficie del Sole di oggi, alla sua fotosfera e le enigmatiche ”macchie solari”, che compaiono con intensità diversa nel tempo mostrandosi come nei di varie dimensioni. Sono prodotte dalla presenza e dalle modificazioni dei campi magnetici. Le macchie solari raggiungono dimensioni di decine di migliaia di chilometri. La Terra potrebbe esservi completamente inghiottita. Spesso si riuniscono a gruppi di decine, grandi e piccole. Lo sviluppo di un gruppo di macchie comincia con l’apparire di più macchie piccole, che poi si espandono aggregandosi tra loro; questo processo può durare da una settimana a qualche mese. Furono osservate per la prima volta con il telescopio da Galileo Galilei nel 1611. Ma cosa sono esattamente? Non è errato immaginarle come bocche da cui fuoriescono linee di forza del campo magnetico del Sole e appaiono scure semplicemente perché la loro temperatura, che è di circa 4.000 °C, è inferiore rispetto alla fotosfera circostante. La temperatura si abbassa poiché la circolazione del calore viene bloccata a causa dei violenti campi magnetici. Il numero di macchie solari varia in modo ricorrente, seguendo un ciclo che dura undici anni. Durante questo arco di tempo si verifica anche un fenomeno ancora non chiaro: il campo magnetico del Sole, infatti, cambia polarità, come se una calamita trasformasse il polo positivo in quello negativo. Una regola che ha eccezioni, tant’è che, a partire dal 1645, il Sole rimase in una fase di minima attività per 70 anni. All’eccezionale periodo, chiamato ”minimo di Maunder” (dal nome del sovrintendente per le ricerche solari del Royal Greenwich Observatory di Londra che ne scrisse alla fine dell’Ottocento), corrispose sulla Terra una ”piccola era glaciale”, con una diminuzione della temperatura su tutto il pianeta. Una coincidenza o la reale possibilità che il Sole influenza ancor più dell’uomo le variazioni climatiche anche a breve termine? Ancora non c’è una risposta chiara. Oltre alle macchie solari, il Sole origina anche brillamenti esplosivi (flares) e protuberanze. I primi sono fenomeni che avvengono nella cromosfera e possono scatenare un’energia pari al consumo energetico dell’attuale popolazione mondiale per un periodo di alcune decine di migliaia di anni. Sono composti da plasma alla temperatura di decine di milioni di gradi, che spesso prende una forma curvilinea, e sono prodotti dall’energia dei campi magnetici accumulata in prossimità delle macchie solari. Completamente diverse sono le protuberanze, che sono gas a bassa temperatura (da alcune migliaia ad alcune decine di migliaia di gradi) che galleggiano nella corona. Nonostante la sua enorme complessità, il nostro Sole è una piccola stella che tra i 200 miliardi di astri della nostra galassia è certamente a misura d’uomo se confrontata, solo per fare un esempio, con stelle da decine di milioni di chilometri di diametro o con altre già collassate in buchi neri. E non a caso è la fonte della vita così come la conosciamo. Mario Torre

MARIO TORRE