Studiare il Sole, un problema scottante

Il Daniel Ken Inouye Solar Telescope (Dkist), collocato a oltre 3000 metri di quota in cima al vulcano Haleakala a Maui, nelle isole Hawaii. Crediti: Nso/Aura/Nsf

Noi viviamo con una stella che ci fornisce tutta l’energia della quale abbiamo bisogno per vivere. Tuttavia, non possiamo dire di conoscere a fondo il suo comportamento, sia quando è calma sia quando produce fantasmagoriche esplosioni che liberano fiumi di particelle nello spazio interplanetario. Difficilmente una tempesta solare può causare problemi per il genere umano, che vive al riparo dell’atmosfera e del campo magnetico terrestre, tuttavia le conseguenze indirette potrebbe essere spiacevoli. Le particelle solari possono interferire con le linee di alta tensione e causare estesi black-out, oppure possono danneggiare i molti satelliti in orbita, che noi utilizziamo continuamente. Ma quelli che corrono i pericoli maggiori sono gli astronauti in orbita e, in futuro, impegnati in lunghi viaggi interplanetari. Per evitare conseguenze spiacevoli, meglio tenere il Sole sotto stretta sorveglianza per poter prevedere che tempo farà nello spazio. È una nuova disciplina nota come space weather.

Lo studio del Sole può essere fatto sia da terra sia dallo spazio, ma ovunque gli strumenti incontrano condizioni termiche proibitive.

È appena entrato in funzione un nuovo telescopio solare costruito a oltre 3.000 metri di quota in cima al vulcano Haleakala sull’isola di Maui, alle Hawaii. Si chiama Daniel Ken Inouye Solar Telescope (Dkist) e ha uno specchio di 4 m di diametro, molto più grande degli specchi di tutti gli altri telescopi solari già in funzione, che si fermano a 1,5 m di diametro. Si capisce, quindi, che Dkist veda meglio di tutti gli altri strumenti e sia capace di cogliere dettagli che fino ad oggi erano irraggiungibili. La sua prima ripresa dei granuli continuamente mutevoli che danno alla superficie del Sole un caratteristico aspetto maculato è la più dettagliata mai ottenuta, ma non dobbiamo pensare che operare un grande telescopio solare sia facile.

La luce è energia e avere un grande specchio primario implica un altrettanto grande problema di raffreddamento. Bisogna evitare che la luce raccolta e focalizzata dallo specchio fonda gli strumenti. A questo fine, è stato realizzato un complesso sistema di raffreddamento che si sviluppa su 10 km di tubature che fanno circolare liquido raffreddante. La sorgente del freddo è il ghiaccio che viene prodotto in loco durante la notte in un ecologico circolo virtuoso.

Il raffreddamento è anche il problema più difficile che devono affrontare le sonde che vogliono spingersi in prossimità del Sole per osservarlo da vicino in regioni dove si arriva alla temperatura di fusione dell’acciaio. Nello spazio non c’è il ghiaccio e, per non farsi friggere, le sonde devono avere efficientissimi scudi termici che proteggono gli strumenti catturando e disperdendo il calore nello spazio.

Il Parker Solar Probe della Nasa è stata la prima sonda ad arrivare vicina al Sole. È anche la prima missione  ad essere stata dedicata ad uno scienziato vivente, per riconoscere il suo straordinario contributo alla comprensione della fisica solare.

Presto la sonda Parker non sarà più sola. Il 10 febbraio è stata lanciata la missione europea Solar Orbiter che, dopo un tortuoso viaggio, oltrepasserà Mercurio e inizierà a fare immagini ravvicinate della nostra stella preferita. Per poter osservare il Sole, nello scudo termico di Solar Orbiter sono stati fatti tre forellini: dietro ci sono gli strumenti al riparo dal calore bruciante.

Mai visto un Sole così

Con questa torta il National Solar Observatory di Boulder, Colorado (Usa), ha festeggiato il rilascio delle prime immagini dell’Inouye Solar Telescope. Crediti: G. Cauzzi

Sono state da poco pubblicate le prime immagini della superficie del Sole riprese dal nuovo telescopio Daniel Ken Inouye Solar Telescope (Dkist) alle Hawaii, che, grazie allo specchio primario da quattro metri di diametro, risulta di gran lunga il più grande e potente telescopio solare esistente al mondo.

Questo nuovo gigante è stato costruito dal National Solar Observatory (Nso), un ente di ricerca statunitense con una sede alle Hawaii ma il quartier generale a Boulder, in Colorado (Usa). Per saperne di più, proprio a Boulder Media Inaf ha raggiunto per un’intervista Gianna Cauzzi, ricercatrice Inaf di fisica solare che fa parte da molti anni del comitato scientifico del Dkist e che lavora attualmente a Nso per la preparazione della comunità scientifica Usa, specialmente studenti, all’utilizzo futuro del telescopio.

Cominciamo dal nome: a chi è intitolato il telescopio?

«Daniel Ken Inouye è stato un senatore delle Hawaii al Senato federale per quasi 50 anni, dal 1963 fino alla sua morte, nel 2012, ed è stato uno dei principali fautori della crescita della ricerca astronomica nelle isole Hawaii. Dopo la sua scomparsa, gli sono state dedicate numerose infrastrutture nelle isole. Mi piace anche ricordare che il senatore Inouye ha combattuto in Italia durate la seconda guerra mondiale, al seguito del famoso 442° battaglione dell’esercito americano, composto principalmente di cittadini Usa di origine giapponese, arruolatisi volontari per dimostrare la loro fedeltà alla nazione. Come conseguenza delle ferite riportate durante un assalto alla linea Gotica in Liguria, nel 1945, il senatore perse il braccio destro».

È vero che le prime immagini ottenute dal telescopio rappresentano qualcosa di mai visto?

Video ottenuto in 10 minuti di osservazione della superficie del Sole dall’Inouye Solar Telescope alla lunghezza d’onda di 705 nm. Crediti: Nso/Aura/Nsf

«Queste prime immagini prodotte dal Dkist sono davvero fantastiche. Rappresentano una scena di granulazione, una suddivisione in celle prodotte dal movimento convettivo del plasma. La scena di granulazione non è una sorpresa, ma i dettagli rivelati lo sono, eccome! Ad esempio, all’interno degli intergranuli – quei filamenti più freddi e più scuri che contornano le celle convettive – a volte appaiono dei “nastri” più brillanti: rappresentano aggregati di campi magnetici molto intensi, dove la pressione del plasma è ridotta. Finora queste concentrazioni magnetiche sono state osservate come strutture vagamente circolari, i cosiddetti “tubi” di flusso magnetico. Queste nuove immagini e video sembrano rivelare che in realtà il campo magnetico si comporta più come un fluido, con tanto di vortici, che si adatta alle condizioni degli spazi intergranulari.

Va anche ricordato un punto importante: queste prime immagini raggiungono la risoluzione spaziale attesa per un telescopio di 4 metri. Già da solo questo è un risultato enorme, in quanto significa che le prestazioni di tutto il sistema ottico sono conformi al progetto, una cosa mai scontata quando si parla di strumenti così complessi».

L’Inouye Solar Telescope alle Hawaii. Crediti: Nso/Aura/Nsf

Ecco, parliamo un po’ dello strumento: quanto costa un gioiello di questo tipo?

«Il costo totale è di circa 340 milioni di dollari. Il finanziamento è stato erogato dalla National Science Foundation americana e ha coperto tutta la fase di costruzione, cominciata ufficialmente nel 2010. Lo scavo è materialmente iniziato nel dicembre 2012, quindi in poco più di 7 anni si è passati dal badile al telescopio».

Quali sono le caratteristiche uniche del telescopio?

«Il Dkist è davvero rivoluzionario, come telescopio solare. Lo specchio primario di oltre 4 m di diametro permetterà di distinguere dettagli alla superficie del Sole con dimensione di 15-20 km da una distanza di 150 milioni di km: come se uno potesse leggere lo schermo del telefono da un km di distanza. Questa è una scala spaziale a cui pensiamo si verifichino interazioni fondamentali tra il plasma e il campo magnetico alla superficie del Sole.

Inoltre, l’Inouye Solar Telescope è stato progettato fin dall’inizio per fare polarimetria di precisione. Le misure polarimetriche, per vari motivi, sono di solito piuttosto difficili, ma per il Dkist è stata dedicata grande attenzione alla caratterizzazione di tutte le ottiche in maniera da poter ottenere una misura molto precisa della polarizzazione solare.

La corona solare visibile durante l’eclisse totale di Sole del 2016. Crediti: Don Sabers, Ron Royer, Miloslav Druckmüller

Ma una caratteristica davvero unica è la capacità del Dkist di fare osservazioni molto avanzate della corona solare, quella parte dell’atmosfera che si vede durante un’eclissi ma altrimenti sovrastata dalla luminosità del Sole, decine di migliaia di volte superiore. Il Dkist ha adottato diverse soluzioni, ingegneristiche e non, per poter affrontare il problema: la luce diffusa strumentale è ridotta al minimo con una lucidatura estrema dello specchio, sistemi di lavaggio in loco per eliminare la polvere che si deposita sul primario, e, soprattutto, un disegno ottico fuori asse, che evita qualsiasi ostruzione dello specchio primario. Inoltre, il sito di Haleakala è stato scelto principalmente per la qualità del cielo in questo senso, con una bassissima percentuale di particolati in sospensione, e quindi un livello molto basso di luce diffusa – pochi altri siti astronomici al mondo possono competere in questo senso.

Infine, va ricordato il sistema di raffreddamento, estremamente complesso, che deve dissipare il calore che uno specchio di 4 metri concentra nel fuoco primario, per la precisione 13 kW in un’area di circa 40 cm², ovvero circa 3000 volte l’irraggiamento normale a Terra».

Il Sole, vista la sua vicinanza e luminosità, è certamente l’oggetto astronomico studiato da più tempo. Ci sono ancora cose da scoprire?

«La risposta è, ovviamente, sì. In particolare, ci si è resi conto negli ultimi decenni che fenomeni fisici fondamentali si verificano a scale spaziali e temporali molto piccole, che necessitano di telescopi di grande diametro come il Dkist, e strumenti altamente performanti. Un ottimo esempio sono le interazioni tra il campo magnetico e il plasma alla superficie solare, interazioni che stanno all’origine di tutta un’altra serie di fenomeni, tra cui il riscaldamento della corona solare.

Oltre all’interesse intrinseco per la fisica dei plasmi, verificare i modelli con osservazioni ad alta risoluzione del Sole è fondamentale per comprendere appieno il funzionamento di una stella, e quindi a interpretare misure effettuate in altre stelle simili, ma di cui possiamo osservare solo la luce integrata. In effetti, molti fenomeni osservati sul Sole vengono usati come base per spiegare osservazioni stellari di tutti i tipi».

Il telescopio vero e proprio all’interno della cupola, con lo specchio da 4 metri coperto da una cortina a chiusura rapida per evitare che si trasformi incidentalmente in uno “specchio ustorio”. Crediti: Nso/Aura/Nsf

Questo nuovo telescopio permetterà anche di fare previsioni di space weather?

«Certamente aiuterà molto a perfezionare i nostri modelli. Nella corona solare si assiste spesso a repentine riconfigurazioni dei campi magnetici, con associata emissione di radiazione molto energetica, e a volte anche espulsioni di materia. Queste esplosioni si propagano nello spazio interplanetario e, se raggiungono la Terra, possono creare problemi alla nostra tecnologia. Il Dkist sarà in grado, per la prima volta, di misurare la direzione e l’intensità del campo magnetico nella corona in modo sistematico, e monitorarne l’evoluzione in regioni potenzialmente esplosive».

Da poco sono arrivati i primi risultati scientifici del Parker Solar Probe della Nasa e a giorni verrà lanciato il Solar Orbiter dell’Esa, due missioni spaziali per studiare il Sole da vicino: sono concorrenti o alleati del Dkist?

«Come in tutti i campi, non esiste il telescopio perfetto, che possa fare tutto, e bene. Parker Solar Probe e Solar Orbiter hanno caratteristiche e scopi molto diversi da Dkist, per cui non c’è sovrapposizione; anzi, è molto interessante pensare di poterli usare in maniera complementare e coordinata, per studiare il rapporto causa-effetto di molti fenomeni solari.

Parker Solar Probe misurerà in situ sia i campi elettro-magnetici che la velocità e densità del plasma, fornendo informazioni di prima mano sulla struttura del vento solare, prima che il viaggio nello spazio interplanetario sino alla Terra lo modifichi sostanzialmente. D’altra parte, data la sua vicinanza, Parker Solar Probe non può “guardare” direttamente il Sole. Dkist, in particolare con la sua capacità di misurare i campi magnetici coronali, ha già previsto di ottenere osservazioni sistematiche coordinate che possano identificare la regione sorgente del vento solare misurato da Parker Solar Probe, caratterizzandone il campo magnetico e la sua evoluzione.

Il Solar Orbiter in Florida in preparazione al lancio previsto per l’8 febbraio. Crediti: NASA/Ben Smegelsky

Solar Orbiter porta a bordo sia strumenti in situ, come il Parker, che telescopi classici, in grado di osservare il Sole direttamente, sia nel visibile che nell’ultravioletto, tra cui il coronografo italiano Metis. Sono molte le misure interessanti che si potranno ottenere in collaborazione tra Dkist e Solar Orbiter, ad esempio lo studio della dinamica e campo magnetico coronale in regioni ben precise col Dkist, da seguire su scale più grandi con Metis quando entrambi i telescopi puntano nella stessa direzione.

Infine, una piccola curiosità: nonostante sia previsto che Solar Orbiter arrivi fino a 0.3 AU, non riuscirà a vedere la superficie del Sole ad una risoluzione spaziale migliore del Dkist, anzi…. D’altra parte, mandare un telescopio solare di 4 m in orbita è un’impresa ancora molto lontana dalla realtà!»

A lei, in particolare, cosa piacerebbe scoprire?

«Uno dei miei interessi scientifici degli ultimi anni riguarda la struttura e dinamica della cromosfera, una parte dell’atmosfera solare che è ancora poco capita. È una regione di interfaccia tra due regimi fisici molto diversi, la fotosfera e la corona, che si pensa giochi un ruolo fondamentale per incanalare verso l’alto l’energia sufficiente a mantenere la corona alle altissime temperature osservate. Con il Dkist mi piacerebbe poter investigare la dinamica e il campo magnetico di strutture cromosferiche molto sottili, chiamate spicole (già osservate al bordo solare da Padre Angelo Secchi a fine Ottocento!), che potrebbero assolvere a questo compito di trasportatori di energia. Finora le osservazioni sono state abbastanza inconclusive, in quanto le scale spaziali e temporali con cui si manifestano sono al limite delle capacità degli attuali telescopi, ma con le prestazioni attese dal Dkist pensiamo di fare davvero il salto di qualità necessario per poter far luce, letteralmente, su questo problema».

Gianna Cauzzi nella cupola tel telescopio Dkist alle Hawaii. Crediti: G. Cauzzi/Nso

Fare l’astronoma di giorno, in piena luce, piuttosto che nel classico buio notturno, è meglio o peggio?

«Mah, io sono una a cui piace alzarsi molto presto la mattina e va a dormire la sera di conseguenza, quindi la cosa mi si confà perfettamente! Non da dire che disprezzi il cielo stellato ovviamente, anzi, l’emozione che si prova quando si mette l’occhio a un telescopio e si osserva un oggetto lontano è davvero qualcosa di fantastico. Purtroppo, ormai i telescopi di punta raramente ammettono l’astronomo “medio” a fare osservazioni di persona: il grosso dei dati viene raccolto o in maniera automatica, da remoto, o tramite un astronomo residente che compie le osservazioni su indicazioni dell’investigatore a cui è stato assegnato il tempo. È una maniera più efficiente di usare il tempo al telescopio, che è molto costoso, sia perché gli addetti conoscono molto meglio come usare gli strumenti, che perché le osservazioni possono essere adattate alle condizioni del cielo in maniera dinamica invece di bloccare un periodo per una sola configurazione o persona. Anche il Dkist opererà in questo modo per la maggior parte delle osservazioni, una grossa differenza rispetto ai telescopi solari attuali».