Alla fine degli anni ’80, gli scienziati si resero conto di poter comprendere le proprietà interne del Sole osservando le onde sonore che risuonano al suo interno. Questa tecnica, chiamata eliosismologia, rivelò uno strato dinamico misteriosamente sottile all’interno del Sole, noto come tacoclina. La tacoclina è estremamente sottile, ma si ritiene che svolga un ruolo importante nel determinare le proprietà magnetiche del Sole. Per anni, gli scienziati hanno teorizzato, calcolato e modellato questi strati del Sole, ma la questione delle dinamiche che portano all’esistenza della tacoclina è rimasta un enigma matematico estremamente complicato.
Ora, i ricercatori dell’Università della California, Santa Cruz, hanno prodotto i primi modelli autoconsistenti dell’interno del Sole che incorporano le dinamiche appropriate e producono spontaneamente una tacoclina, segnando un importante passo avanti per la fisica solare.
I loro modelli sono stati prodotti utilizzando il supercomputer più potente della NASA e i risultati sono pubblicati su The Astrophysical Journal Letters.
L’importanza della tacoclina
Per noi sulla Terra, la tacoclina è importante per il suo ruolo previsto nella produzione dei campi magnetici solari. Questi campi innescano eventi come brillamenti solari ed espulsioni di massa coronale, esplosioni di attività solare che possono devastare le reti elettriche globali e interrompere i nostri satelliti. Prevedere in modo affidabile quando questi eventi si verificheranno richiede una modellazione accurata dell’interno solare, in particolare della tacoclina.
Più lontano da casa, approfondimenti sulle proprietà della tacoclina del nostro Sole potrebbero fornire informazioni sull’attività magnetica di altre stelle. Gli scienziati ritengono che le proprietà magnetiche di una stella possano essere cruciali per la sua capacità di ospitare altri pianeti che sostengono la vita.
“Conosciamo molte informazioni sul Sole, ma il Sole è solo una stella“, ha affermato Loren Matilsky, ricercatore post-dottorato presso l’UC Santa Cruz e primo autore dello studio. “Stiamo imparando molto sulla dinamica del nostro Sole e, nel frattempo, penso che stiamo anche imparando come funziona su altre stelle. Le questioni relative alla tacoclina diventano ancora più importanti alla luce di altri sistemi stellari ed esopianeti”.
Estremamente sottile
Matilsky, il suo mentore Nicholas Brummell, professore di matematica applicata alla Baskin School of Engineering, e l’ex studentessa laureata dell’UC Santa Cruz Lydia Korre, ora ricercatrice presso l’Università del Colorado a Boulder, hanno portato avanti questa ricerca sulla tacoclina nell’ambito del progetto Consequences of Fields and Flows in the Interior and Exterior of the Sun (COFFIES) del DRIVE Science Center.
Questo grande gruppo multi-istituzionale, di cui l’UC Santa Cruz è una parte significativa, cerca di comprendere la “dinamo” solare, ovvero il processo fisico che crea i campi magnetici del Sole.
La tacoclina svolge un ruolo importante nella dinamo solare in quanto separa due regioni distinte del Sole. Al di sotto della tacoclina si trova la zona radiativa, che rappresenta il 70% più interno del Sole in termini di raggio e ruota rigidamente come una palla da baseball solida.
Al di sopra della tacoclina si trova la zona convettiva, il 30% più esterno del Sole in termini di raggio, che ruota in modo differenziale con la fluidità caratteristica di un gas. Tra queste due zone si trova la tacoclina estremamente sottile, le cui grandi variazioni di velocità svolgono probabilmente un ruolo chiave nella dinamo.
“Osservando inizialmente la dinamica, non ci si aspetterebbe che la tacoclina sia così sottile perché ci sono molteplici processi che tenderebbero a diffondere la tacoclina se lasciati a se stessi, quindi un grande mistero è sempre ‘perché è uno strato così, così stretto?‘”, ha detto Brummell.
Per anni, i ricercatori hanno cercato di risolvere le equazioni matematiche della fluidodinamica magnetica per la geometria solare per confermare le previsioni e i modelli che circondano la tacoclina.
Ma il Sole è una sfera di gas molto potente e turbolenta, il che significa che esiste un’enorme gamma di scale che riguardano i suoi moti, da quelle molto piccole (diciamo 10 metri) a quelle molto grandi (diciamo 1 milione di chilometri). Allo stesso modo, esiste un’enorme gamma di scale temporali rilevanti. Questo rende il Sole estremamente difficile da modellare e i tentativi passati non sono stati in grado di riprodurre i processi dinamici realistici essenziali in atto all’interno del Sole.
Calcoli “eroici”
Nonostante queste difficoltà, Matilsky, per usare le sue stesse parole, “accoglie con favore una bella sfida”. Lui e Korre hanno affrontato l’enorme compito di produrre calcoli “eroici” – simulazioni matematiche estremamente complesse e di grandi dimensioni – che modellassero con maggiore accuratezza i processi fisici in atto in un regime di parametri simile a quello solare.
I tentativi passati di modellare il Sole hanno faticato a dare la giusta priorità ai processi fisici che influenzano la dinamo solare. Questo è dovuto, ancora una volta, all’enorme gamma di scale di lunghezza e tempo che questi processi abbracciano. In questo lavoro, per la prima volta, il team è stato in grado di investire le risorse computazionali necessarie per ottenere il corretto ordinamento delle dinamiche.
I loro modelli privilegiano un processo chiamato “diffusione radiativa”, che tende ad aumentare lo spessore della tacoclina nel tempo, rispetto a un altro processo di ispessimento ritenuto trascurabile nel Sole, chiamato “diffusione viscosa”.
“Loren e Lydia hanno condotto simulazioni molto complesse e complesse, in cui le abbiamo rese sufficientemente grandi e complesse da poter declassare la viscosità a favore del processo di diffusione radiativa, molto più realistico“, ha affermato Brummell.
Eseguendo i loro modelli riorganizzati, utilizzando il supercomputer Ames Pleiades della NASA per decine di milioni di ore di supercalcolo in 15 mesi per alimentare le loro simulazioni, sono stati in grado di creare, per la prima volta, un modello completamente autoconsistente del funzionamento della tacoclina.
Senza richiedere esplicitamente di farlo, i loro modelli delle zone convettiva e radiativa hanno prodotto spontaneamente una tacoclina. È interessante notare che sono state le forze prodotte dalla dinamo che scorre nella zona convettiva a essere la chiave per mantenere lo spessore sottile della tacoclina in questo modello.
“C’è una sinergia qui, perché si ritiene che la tacoclina svolga un ruolo fondamentale nel causare il processo dinamo. Ora sembra che possa essere vero anche il contrario, nel senso che il campo magnetico della dinamo potrebbe in primo luogo causare l’esistenza della tacoclina“, ha affermato Matilsky.