Così come le valanghe sulle montagne innevate iniziano con il movimento di una piccola quantità di neve, la sonda Solar Orbiter, guidata dall’ESA, ha scoperto che un brillamento solare è innescato da perturbazioni inizialmente deboli che diventano rapidamente più violente. Questo processo in rapida evoluzione crea un “cielo” di grumi di plasma che piovono e continuano a cadere anche dopo che il brillamento si è attenuato. La scoperta è stata resa possibile da una delle osservazioni più dettagliate di un grande brillamento solare mai realizzate da Solar Orbiter, effettuata durante l’avvicinamento al Sole del 30 settembre 2024. È descritta in un articolo pubblicato su Astronomy & Astrophysics.
I brillamenti solari sono potenti esplosioni che avvengono sul Sole. Si verificano quando l’energia immagazzinata in campi magnetici intrecciati viene improvvisamente rilasciata attraverso un processo noto come “riconnessione”. Nel giro di pochi minuti, linee di campo magnetico incrociate e di direzione opposta si spezzano e poi si riconnettono. Le linee di campo appena riconnesse possono riscaldarsi rapidamente e accelerare plasma a milioni di gradi, e persino particelle ad alta energia, lontano dal sito di riconnessione, dando potenzialmente origine a un brillamento solare.
I brillamenti più potenti possono avviare una catena di reazioni che porta a tempeste geomagnetiche sulla Terra, in grado di causare blackout radio: per questo è così importante monitorarli e comprenderli.
Tuttavia, i dettagli fini di come questa enorme quantità di energia venga rilasciata così rapidamente sono rimasti a lungo poco compresi. Questo insieme senza precedenti di nuove osservazioni di Solar Orbiter – provenienti da quattro strumenti della missione che hanno lavorato in modo complementare per fornire il quadro più completo di un brillamento solare mai ottenuto – offre finalmente una risposta convincente.
Le immagini ad alta risoluzione dell’Extreme Ultraviolet Imager (EUI) di Solar Orbiter hanno messo a fuoco strutture larghe solo poche centinaia di km nell’atmosfera esterna del Sole (la corona), catturando cambiamenti ogni due secondi. Altri 3 strumenti – SPICE, STIX e PHI – hanno analizzato una gamma di profondità e regimi di temperatura, dalla corona fino alla superficie visibile del Sole, la fotosfera. È importante sottolineare che le osservazioni hanno permesso agli scienziati di seguire l’accumularsi degli eventi che hanno portato al brillamento nell’arco di circa 40 minuti.
“Siamo stati davvero molto fortunati ad assistere agli eventi precursori di questo grande brillamento con un livello di dettaglio così straordinario“, afferma Pradeep Chitta del Max Planck Institute for Solar System Research di Göttingen, Germania, autore principale dell’articolo. “Osservazioni così dettagliate e ad alta cadenza di un brillamento non sono sempre possibili, a causa delle limitate finestre osservative e perché dati di questo tipo occupano moltissimo spazio di memoria nel computer di bordo della sonda. Eravamo davvero nel posto giusto al momento giusto per cogliere i dettagli più fini di questo brillamento“.
Una valanga magnetica in azione
Quando EUI ha iniziato a osservare la regione alle 23:06 Tempo Universale (UT), circa 40 minuti prima del picco di attività del brillamento, era già presente un “filamento” scuro, arcuato, di campi magnetici e plasma intrecciati, collegato a una struttura a forma di croce costituita da linee di campo magnetico che diventavano progressivamente più luminose.
Un ingrandimento di questa struttura mostra che nuovi filamenti di campo magnetico compaiono in ogni fotogramma dell’immagine – equivalenti a ogni due secondi o meno. Ogni filamento è magneticamente confinato e si attorciglia come una corda.
Poi, proprio come in una tipica valanga, la regione diventa instabile. I filamenti intrecciati iniziano a spezzarsi e a riconnettersi, innescando rapidamente una cascata di ulteriori destabilizzazioni nell’area. Ciò genera eventi di riconnessione e flussi di energia sempre più intensi, visibili come improvvisi e crescenti aumenti di luminosità nelle immagini.
Un particolare aumento di luminosità inizia alle 23:29 UT, seguito dal distacco del filamento scuro da un lato, che viene lanciato nello Spazio e allo stesso tempo si srotola violentemente ad alta velocità. Scintille luminose di riconnessione sono visibili lungo tutto il filamento con una risoluzione sorprendente, mentre il brillamento principale erutta intorno alle 23:47 UT.
“Questi minuti che precedono il brillamento sono estremamente importanti e Solar Orbiter ci ha offerto una finestra direttamente alla base del brillamento, dove è iniziato questo processo a valanga“, afferma Pradeep. “Siamo rimasti sorpresi dal fatto che un grande brillamento sia guidato da una serie di eventi di riconnessione più piccoli che si diffondono rapidamente nello Spazio e nel tempo“.
Gli scienziati avevano già proposto un semplice modello a valanga per spiegare il comportamento collettivo di centinaia di migliaia di brillamenti sul Sole e su altre stelle, ma non era chiaro se un singolo grande brillamento potesse essere descritto come una valanga. Questo risultato mostra esattamente che è così: un brillamento non è necessariamente un’unica eruzione coerente, ma può essere una cascata di eventi di riconnessione che interagiscono tra loro.
Pioggia di grumi di plasma
Per la prima volta, e grazie alle misure simultanee degli strumenti SPICE e STIX di Solar Orbiter, il team di Pradeep è riuscito a esplorare con risoluzione estremamente elevata come la rapida sequenza di eventi di riconnessione depositi energia nella parte più esterna dell’atmosfera solare.
Di particolare interesse è l’emissione di raggi X ad alta energia, che rappresenta una firma delle regioni in cui le particelle accelerate depositano la loro energia. Poiché le particelle accelerate possono sfuggire nello spazio interplanetario e rappresentare un pericolo radiativo per satelliti, astronauti e persino tecnologie terrestri, comprendere come avvenga questo processo è essenziale per la previsione del meteo spaziale.
Nel brillamento del 30 settembre, l’emissione dall’ultravioletto ai raggi X stava già aumentando lentamente quando SPICE e STIX hanno iniziato a osservare la regione. Durante il brillamento vero e proprio, l’emissione di raggi X è cresciuta in modo così drammatico – man mano che aumentavano gli eventi di riconnessione – che le particelle sono state accelerate fino a velocità pari al 40–50% della velocità della luce, equivalenti a circa 431–540 milioni di km/h. Inoltre, le osservazioni hanno mostrato che durante questi eventi di riconnessione l’energia viene trasferita dal campo magnetico al plasma circostante.
“Abbiamo osservato strutture simili a nastri muoversi estremamente rapidamente verso il basso attraverso l’atmosfera solare, ancora prima della fase principale del brillamento“, spiega Pradeep. “Questi flussi di ‘grumi di plasma che piovono’ sono firme del deposito di energia, che diventano sempre più intensi con il progredire del brillamento. Anche dopo che il brillamento si attenua, la pioggia continua per un certo tempo. È la prima volta che osserviamo questo fenomeno con un tale livello di dettaglio spaziale e temporale nella corona solare“.
Dopo la fase principale del brillamento, nelle immagini EUI la forma a croce originale delle linee di campo magnetico appare rilassarsi, mentre STIX e SPICE hanno osservato il plasma iniziare a raffreddarsi e l’emissione di particelle diminuire verso livelli “normali”. Allo stesso tempo, PHI ha rilevato l’impronta del brillamento sulla superficie visibile del Sole, completando il quadro tridimensionale dell’evento.
“Non ci aspettavamo che il processo a valanga potesse portare a particelle di energia così elevata“, afferma Pradeep. “C’è ancora molto da esplorare in questo processo, ma per chiarirlo davvero sarebbero necessarie immagini a raggi X con risoluzione ancora più elevata, provenienti da future missioni“.
“Questo è uno dei risultati più entusiasmanti ottenuti finora da Solar Orbiter“, afferma Miho Janvier, co–Project Scientist di Solar Orbiter per l’ESA. “Le osservazioni di Solar Orbiter svelano il motore centrale di un brillamento e sottolineano il ruolo cruciale di un meccanismo di rilascio dell’energia magnetica di tipo valanga. Una prospettiva interessante è capire se questo meccanismo avvenga in tutti i brillamenti e anche in altre stelle soggette a brillamenti”
“Queste osservazioni straordinarie, catturate con un livello di dettaglio incredibile e quasi istante per istante, ci hanno permesso di vedere come una sequenza di piccoli eventi sia culminata in gigantesche esplosioni di energia“, afferma David Pontin dell’Università di Newcastle, Australia, coautore dell’articolo. “Confrontando le osservazioni di EUI con quelle del campo magnetico, siamo riusciti a ricostruire la catena di eventi che ha portato al brillamento. Ciò che abbiamo osservato mette in discussione le teorie esistenti sul rilascio di energia nei brillamenti e, insieme a ulteriori osservazioni, ci permetterà di perfezionare tali teorie per migliorare la nostra comprensione“.