Il Sole brilla intensamente nella luce visibile, ma come appare alla massima energia delle radiazioni elettromagnetiche? L’immagine del Sole catturata nei raggi gamma è uno spettacolo letale, attenuato dall’atmosfera terrestre e visibile solo dallo Spazio. Ogni fotone trasporta un miliardo di volte più energia rispetto al suo corrispettivo nell’ultravioletto.
Come varia l’emissione regolare di raggi gamma del Sole nel tempo? È possibile collegarla ai periodi di eventi violenti che osserviamo sulla superficie della nostra stella?
Uno studio pubblicato oggi su The Astrophysical Journal, ha prodotto un filmato che racchiude 14 anni del Sole osservato nei raggi gamma, uno strumento di visualizzazione che ha rivelato che, contrariamente alla distribuzione uniforme prevista di questi fotoni ad alta energia, il disco solare può diventare più luminoso nelle regioni polari. Questa tendenza per il bagliore del Sole nei raggi gamma a essere dominante alle latitudini più elevate è evidente durante il picco dell’attività solare, come si è potuto osservare nel giugno del 2014.
Lo studio, guidato da Bruno Arsioli, dell’Istituto di Astrofisica e Scienze dello Spazio (IA), in Portogallo, e dalla Facoltà di Scienze dell’Università di Lisbona (Ciências ULisboa), potrebbe contribuire alla comprensione del processo ancora sconosciuto che fa brillare il Sole 10 volte più intensamente nei raggi gamma rispetto a quanto previsto dai fisici. Potrebbe anche fornire informazioni sul meteo spaziale.
I raggi gamma solari sono prodotti nell’alone della nostra stella e durante le eruzioni solari, ma vengono anche rilasciati dalla sua superficie. Sono questi ultimi ad essere stati studiati in questa ricerca. “Il Sole è tempestato da particelle che viaggiano vicino alla velocità della luce provenienti da oltre la nostra galassia in tutte le direzioni“, ha spiegato Arsioli. “Queste cosiddette particelle cosmiche sono cariche elettricamente e vengono deviate dai campi magnetici del Sole. Quelle che interagiscono con l’atmosfera solare producono una pioggia di raggi gamma“.
Gli scienziati pensavano che queste “piogge” avessero pari probabilità di essere viste ovunque nel disco solare. Quello che questo lavoro suggerisce è che le particelle cosmiche potrebbero interagire con il campo magnetico del Sole e quindi produrre una distribuzione dei raggi gamma non uniforme su tutte le latitudini della nostra stella.
“Abbiamo anche rilevato una differenza di energia tra i poli“, ha aggiunto Arsioli. “Al Polo Sud c’è un surplus di emissioni di energia più elevata, di fotoni con 20-150 gigaelettronvolt, mentre la maggior parte dei fotoni meno energetici proviene dal Polo Nord“. Gli scienziati non hanno ancora una spiegazione per questa asimmetria.
Durante il massimo del ciclo di attività solare, è evidente che i raggi gamma vengono emessi più spesso alle latitudini più elevate. Erano particolarmente concentrati sui poli solari nel giugno del 2014, al momento dell’inversione del campo magnetico solare. Ciò avviene quando il dipolo del campo magnetico del Sole scambia i suoi segni, un fenomeno particolare avviene al picco dell’attività solare, ogni 11 anni.
“Abbiamo trovato risultati che sfidano la nostra attuale comprensione del Sole e del suo ambiente“, ha affermato Elena Orlando, dell’Università di Trieste, dell’INFN, e dell’Università di Stanford, e co-autrice di questo studio. “Abbiamo dimostrato una forte correlazione dell’asimmetria nell’emissione di raggi gamma solari in coincidenza con l’inversione del campo magnetico solare, che ha rivelato un possibile collegamento tra l’astronomia solare, la fisica delle particelle e la fisica del plasma“.
I dati utilizzati sono stati ottenuti da 14 anni di osservazioni con il satellite per i raggi gamma Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT), tra agosto 2008 e gennaio 2022. Questo periodo ha coperto un intero ciclo solare, dal minimo al successivo, con il picco nel 2014. Una delle sfide è stata separare le emissioni solari dalle numerose altre fonti di raggi gamma nel cielo di fondo, attraversate dalla traiettoria apparente del Sole.
Bruno Arsioli e la collega Elena Orlando hanno prodotto uno strumento per integrare tutti gli eventi dei raggi gamma solari entro una finestra dell’ordine di 400 a 700 giorni, e questa finestra può scorrere lungo il periodo di 14 anni. Attraverso questa visualizzazione, i momenti di eccesso polare sono diventati chiari, così come la discrepanza di energia tra Nord e Sud.
“Lo studio delle emissioni di raggi gamma dal Sole rappresenta una nuova finestra per indagare e comprendere i processi fisici che avvengono nell’atmosfera della nostra stella“, ha affermato Arsioli. “Quali sono i processi che creano questi eccessi ai poli? Forse ci sono meccanismi aggiuntivi che generano raggi gamma che vanno oltre l’interazione delle particelle cosmiche con la superficie del Sole“.
Eppure, se ci atteniamo alle particelle cosmiche, potrebbero funzionare come sonda dell’atmosfera solare interna. L’analisi di queste osservazioni Fermi-LAT motiva anche un nuovo approccio teorico che dovrebbe considerare una descrizione più dettagliata dei campi magnetici del Sole.
Il possibile collegamento tra la produzione di raggi gamma del Sole e i suoi spettacolari periodi di eruzioni solari ed espulsioni di massa coronale più frequenti, e tra questi e i cambiamenti nella configurazione magnetica della nostra stella, potrebbe essere un elemento per migliorare i modelli fisici che prevedono l’attività solare. Questi sono alla base delle previsioni del meteo spaziale, essenziali per proteggere gli strumenti sui satelliti nello Spazio e le telecomunicazioni e altre infrastrutture elettroniche sulla Terra.
“Nel 2024 e l’anno successivo vivremo un nuovo massimo solare, e un’altra inversione dei poli magnetici del Sole è già iniziata. Ci aspettiamo che entro la fine del 2025 verrà rivalutato se l’inversione dei campi magnetici è seguita da un surplus nelle emissioni di raggi gamma dai poli”, ha sottolineato Bruno Arsioli.
Elena Orlando ha aggiunto: “Abbiamo trovato la chiave per sbloccare questo mistero, che suggerisce le direzioni future che dovrebbero essere prese. È fondamentale che il telescopio Fermi continui a operare e osservare il Sole nei prossimi anni“.
I raggi gamma solari però probabilmente hanno ancora molto da rivelare e richiedono ulteriore attenzione. Questo studio appena pubblicato rafforzerà il caso scientifico per il monitoraggio continuo del Sole da parte della prossima generazione di osservatori spaziali dei raggi gamma.
“Se si stabilisce che le emissioni ad alta energia trasportano effettivamente informazioni sull’attività solare, allora la prossima missione dovrebbe essere pianificata per fornire dati in tempo reale sulle emissioni di raggi gamma dal Sole“, ha concluso Arsioli.
