Il Futuro dell’Astrofisica Solare con l’European Solar Telescope EST

Il cielo delle Isole Canarie, sospeso nel cuore dell’Oceano Atlantico, è un vero santuario per gli appassionati di astronomia: un firmamento terso, quasi immune da inquinamento luminoso, la cui vetta di purezza è raggiunta sull’isola di La Palma, riserva naturale e insignita della certificazione Starlight per l’eccellente qualità del suo cielo notturno. Eppure, l’osservazione del cosmo non si esaurisce con le stelle che brillano nella notte: una branca fondamentale della scienza moderna è infatti dedicata a comprendere, anticipare e monitorare l’attività dell’astro da cui dipende la nostra stessa esistenza come specie e come pianeta abitabile — il Sole. Nonostante il legame atavico che l’umanità nutre verso la propria stella, restano ancora numerosi enigmi sui suoi meccanismi fisici e dinamici, interrogativi che attendono di essere illuminati da uno sguardo più penetrante. In questa prospettiva, l’Europa sta elaborando un progetto dal valore strategico inestimabile: l’European Solar Telescope (EST). L’iniziativa nasce per integrare e affiancare l’opera di monitoraggio che, fin dal 2017, vede protagonista il Daniel K. Inouye Solar Telescope (4,2 metri di apertura) sulle alture di Haleakala, nell’arcipelago delle Hawaii — un osservatorio situato agli antipodi rispetto al futuro EST, creando così una sinergia ideale per lo studio continuo del Sole. La portata di questo nuovo telescopio è ambiziosa: grazie a tecnologie all’avanguardia, si mira a sondare fenomeni ancora poco noti, come la riconnessione magnetica rapida, all’origine dei spettacolari flare solari. Nel pieno di un nuovo massimo dell’attività solare, molti appassionati e curiosi iniziano a porsi interrogativi su questa formidabile “forgia” cosmica, la più abbagliante fonte di luce che rischiari il nostro cielo. Ne parliamo con il Direttore della Fondazione EST, l’astrofisico solare spagnolo Héctor Socas Navarro dell’Instituto de Astrofísica de Canarias, scienziato di fama internazionale — autore di decine di pubblicazioni su riviste scientifiche di primo piano — e divulgatore poliedrico, noto anche per il suo podcast di successo “Coffee Break: Señal y Ruido”.

Thomas: Buongiorno, Hector. Nella tua carriera hai potuto affrontare diversi aspetti dell’osservazione e della fisica solare, sia in osservatori terrestri come DKIST, sia con osservatori in orbita, come ad esempio SDO (Solar Dynamics Observatory), oltre a tante altre tipologie di ricerca solare. Vorrei che commentassimo un po’ perché, pur potendo avere osservatori nello spazio, abbiamo comunque bisogno di un progetto come l’EST proprio adesso. Perché si tratta di un progetto così importante?

Héctor: Sì, perché dallo spazio e da Terra riusciamo a effettuare tipologie diverse di osservazioni solari. Dallo spazio possiamo soprattutto liberarci dall’ostacolo dell’atmosfera, ma dobbiamo portare con noi telescopi di piccole dimensioni. Ciò limita in particolare la risoluzione spaziale, cioè quanto in dettaglio possiamo vedere le strutture più piccole sul Sole. D’altra parte, dallo spazio è possibile anche fare osservazioni continue per 24 ore — come accade, ad esempio, con SDO — o comunque osservazioni molto più prolungate di quelle che si possono realizzare da Terra. Al contrario, da Terra abbiamo il vantaggio di poter costruire telescopi più grandi, il che ci consente di vedere strutture di dimensioni minori e di acquisire una sensibilità maggiore alla polarizzazione (che poi, se vorrai, spiegherò più avanti, perché è così importante). Inoltre, c’è un altro aspetto: da Terra possiamo disporre di strumenti di grandi dimensioni che permettono soprattutto di analizzare diverse regioni spettrali. Nello spazio, invece, tutto dev’essere molto compatto e “impacchettato” e bisogna definire in anticipo quali bande si vorranno osservare. Questo è fondamentale perché in fisica solare, spesso, i progressi si verificano quando si osservano diverse regioni dello spettro elettromagnetico. I telescopi terrestri sono progettati per consentire flessibilità nel passare da una banda all’altra. Faccio sempre l’esempio (che a me personalmente piace molto) che in astrofisica disponiamo di milioni di stelle da osservare: basta costruire un telescopio, puntarlo su diverse stelle o galassie, e pubblicare un articolo scientifico per ciascuna di esse. Ma il Sole, invece, è uno solo. L’unico modo per ricavarne molti lavori di ricerca è studiarlo da molti punti di vista, per esempio utilizzando diverse bande spettrali. In sostanza, questo è il vantaggio principale di un osservatorio a Terra: hai flessibilità nell’osservazione, puoi cambiare modalità di acquisizione e, grazie a telescopi e strumentazione di grandi dimensioni, puoi vedere dettagli più fini e avere una maggiore sensibilità — soprattutto per la polarizzazione, elemento chiave per le misure dei campi magnetici, che sono in fondo ciò che ci interessa maggiormente.

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Thomas: Possiamo quindi affermare che esiste una certa complementarità tra i vari approcci e non c’è una netta alternativa da scegliere. È importante avere la gamma completa, tra quello che si fa nello spazio e ciò che si fa da Terra, per ottenere un quadro più completo.

Héctor: Assolutamente, sono due tipi di osservazioni molto complementari. Io, ad esempio, nel corso della mia carriera ho lavorato sia con osservazioni dallo spazio sia da Terra. Non si tratta di preferire l’una o l’altra, ma di usare tutto il più possibile, proprio perché, come dicevi, si possono integrare dati di diversa provenienza per riuscire, alla fine, a capire meglio il Sole. E questo è lo scopo: fare scienza che ci permetta di progredire nella comprensione del Sole, senza che importi se i dati provengano da orbita o da Terra; vogliamo tutto ciò che possiamo ottenere.

Thomas: Un esempio, in questo senso, potrebbe essere SDO, che esegue eliosismologia, registra l’evoluzione della superficie solare e, analizzando quei movimenti, si può studiare la fisica della corona. Lo spazio offre una sorta di “osservazione continua”, come un microscopio. Da Terra, invece, possiamo adottare molte altre metodologie di osservazione con un angolo prospettico più ampio.

Héctor: Sì, esatto. Le missioni spaziali hanno in genere un ciclo di vita nominale di pochi anni, in media tra 2 e 5. Se vuoi svolgere un programma sinottico di lungo periodo (il ciclo solare è di 11 anni), per osservare un intero ciclo solare ti serve uno strumento che lavori ininterrottamente per almeno 11 anni, ed è estremamente difficile da fare nello spazio. Da Terra, invece, possiamo disporre di strumenti attivi per molti decenni.

Thomas: Un investimento forte nei satelliti sicuramente ha un ritorno in termini di dati, ma con gli osservatori a Terra si può persino avere un ritorno maggiore, come accade nella ricerca notturna in astronomia.

Héctor: Certo, le missioni spaziali sono molto costose: mandare qualsiasi cosa nello spazio comporta una spesa enorme e un rischio elevatissimo. Se, per esempio, il razzo esplode, non c’è modo di rimediare; se il satellite si guasta, non puoi ripararlo. È molto stressante, e oserei dire che fa paura lavorare a una missione spaziale: dopo vent’anni di lavoro, al lancio tutto potrebbe andare in fumo. In più, come detto, è molto costoso e rischioso. Al contrario, da Terra è più economico costruire impianti, e i rischi sono minori: se qualcosa non va, hai un margine per correggerlo. Per questo, nell’astrofisica notturna, le missioni spaziali si avvalgono di quel che si chiama “supporto da Terra”: telescopi o tempo di telescopio dedicato a integrare i dati di una missione spaziale. Un grande progetto come l’EST, che è già un progetto di punta, costa tutto sommato “solo” 250 milioni di euro, molto meno di una tipica missione spaziale di media categoria. E, spesso, alle missioni spaziali è associato un telescopio terrestre per il supporto scientifico. In genere, la scienza non deriva da un singolo strumento isolato, ma dalla combinazione di più osservazioni.

Thomas: Inoltre, la comunità scientifica sta usando un grande strumento a cui hai contribuito, DKIST alle Hawaii, ma c’è un limite di copertura temporale: non possiamo seguire continuamente la stessa macchia o gli stessi granuli convettivi. Da Terra, con una copertura continua, potremmo fare previsioni migliori del “meteo solare”, fondamentale per molti aspetti.

Héctor: Giusto. Una delle peculiarità di una missione spaziale è che, in base all’orbita, può osservare il Sole 24 ore al giorno e seguirne la rotazione in modo continuativo. Il Sole impiega circa 27-28 giorni per compiere un giro su se stesso; da Terra, per quanto si possa fare, non si arriva a più di 12 ore di osservazione continua e, in realtà, le condizioni ottimali spesso durano un numero di ore inferiore. Al momento, disponiamo di un solo “grande telescopio solare” (per grande, in fisica solare, si intende con uno specchio di 4 metri — che nell’astronomia notturna non è così tanto, ma per noi è enorme). Basti pensare che prima di DKIST la misura standard era 1,5-1,6 metri di diametro. Il salto a 4 metri è stato formidabile. Ma esiste un solo telescopio di queste dimensioni: DKIST, appunto, alle Hawaii. Se costruissimo EST, per di più alle Canarie, avremmo la combinazione ideale, perché le Canarie e le Hawaii sono quasi agli antipodi in termini di fuso orario (circa 12 ore di differenza). Quando alle Hawaii è sera, alle Canarie sta sorgendo il Sole, e viceversa. Con due telescopi di classe 4 metri dislocati a tale distanza, si potrebbe già coprire meglio l’intera giornata solare. In teoria ne vorresti anche di più, ma potremmo già iniziare con due. E questi due siti sarebbero ottimali per avere una copertura quasi 24 ore.

Thomas: Pensando a ciò che è accaduto, ad esempio, con l’Evento di Carrington o con l’enorme brillamento solare del 23 luglio 2012, che per fortuna non ci ha colpiti, è evidente che anche due osservatori sarebbero comunque pochi. L’attenzione sul monitoraggio solare è davvero scarsa, eppure il nostro futuro dipende moltissimo da questo aspetto.

Héctor: Esatto. Siamo una società tecnologica, dipendiamo dagli apparati elettronici, dai satelliti, molto più di quanto immaginiamo. È una di quelle cose di cui ci rendiamo conto soltanto quando viene a mancare; e finora, per fortuna, non abbiamo subito interruzioni drammatiche. Ma potrebbe avvenire in qualsiasi momento. L’evento del 23 luglio 2012 fu registrato da una sonda STEREO (se ricordo bene, la sonda STEREO B). Le due sonde STEREO della NASA si trovano su un’orbita simile a quella terrestre, una più “avanti” e una più “indietro” rispetto alla Terra, in modo da formare idealmente un triangolo con la Terra, tutte a osservare il Sole da diverse angolazioni. Sono veicoli spaziali piuttosto piccoli, dotati di camere UV e pochi altri strumenti, principalmente per registrare immagini e misurare il mezzo interplanetario circostante. Una di queste sonde, appunto, è stata impattata dal getto di particelle solari prodotto da un’eruzione, e anni dopo si è analizzato l’archivio dei dati — poiché certe informazioni non vengono studiate in tempo reale, ma restano memorizzate per eventuali ricerche future — e ricostruendo l’intensità di quell’evento si è concluso che sarebbe stato addirittura più potente dell’Evento di Carrington del 1859. Se fosse arrivato dritto verso la Terra, non sappiamo bene cosa sarebbe successo, perché finora non abbiamo vissuto un’esperienza del genere. Ci sono state grandi tempeste solari, ma tutte prima che la nostra società fosse basata sull’elettronica. L’Evento di Carrington è il più recente in cui esistevano già linee telegrafiche e un minimo di rete elettrica, tecnologie già vulnerabili. Oggi è tutta un’altra storia. Abbiamo studi teorici e speculativi, ma finché non ci capiterà, e speriamo che non succeda, non sapremo realmente le conseguenze concrete.

Thomas: In effetti, quando arrivano quegli allarmi, si spengono i sistemi per evitare danni, quindi è essenziale un monitoraggio continuo. Ed è cruciale capire ciò che ancora non comprendiamo del Sole: è quasi impossibile fare previsioni solari. Ci sono parecchi enigmi, ad esempio non sappiamo prevedere con esattezza la dinamica dell’attività magnetica. Sappiamo che le macchie solari ruotano a velocità diverse a seconda della latitudine, e se due di esse — una di polarità positiva e una di polarità negativa — si avvolgono a vicenda, possiamo avere il cosiddetto “effetto molla” che scaglia plasma.

Héctor: Infatti, il grande problema è comprendere il comportamento del campo magnetico, che si accumula e si intensifica negli strati esterni del Sole, emerge attraverso la superficie formando le macchie e le regioni attive, e poi — a causa della rotazione differenziale e della turbolenza convettiva — si attorciglia e si accumula come se fosse una molla. Proprio come una molla, se la avvolgi troppo, a un certo punto si spezza e rilascia violentemente tutta l’energia accumulata. Questa energia si manifesta sul Sole come eruzione o brillamento. In magnetoidrodinamica si dimostra che il campo magnetico si comporta come un elemento elastico: quando lo attorcigli, il plasma soggetto a un campo magnetico oppone resistenza, generando una forza contraria. In quel processo si accumula energia potenziale, la stessa che viene fornita dall’azione di avvolgimento. E tale energia, a un certo punto, si libera con un evento di riconnessione magnetica: il campo magnetico, ormai troppo contorto, si riorganizza spontaneamente in una configurazione più “rilassata” e rilascia di colpo l’energia accumulata. Si produce così l’eruzione, una grande esplosione visibile sulla superficie solare. Non capiamo a fondo la parte quantitativa di questi fenomeni perché il campo magnetico, in pratica, non si vede. In teoria, nei modelli lo “vediamo” e lo tracciamo, ma nella realtà no. Ecco perché, poco fa, accennavo alla polarimetria, una tecnica che ci permette — in qualche modo — di misurare il campo magnetico in certe condizioni e in certe regioni dell’atmosfera solare. Queste osservazioni ci informano su come si comporta il campo magnetico. Qui entrano in gioco i grandi telescopi terrestri: vogliamo comprendere come si organizza il campo magnetico, qual è la sua dinamica, come si muove, come si torce e, soprattutto, come avviene la riconnessione, il grande fenomeno sconosciuto di cui rileviamo le conseguenze, ma che vogliamo “cogliere sul fatto”. Vogliamo cioè vedere come succede, perché nella nostra teoria la riconnessione è un fenomeno “non ideale”, fuori dal regime di magnetoidrodinamica ideale: in tali condizioni i modelli teorici falliscono, ed è lì che desideriamo raccogliere più dati per migliorarli. Ecco perché questi grandi telescopi terrestri sono pensati per compiere progressi in quest’ambito.

Thomas: Quindi c’è come un valore critico oltre il quale si “rompe” la configurazione magnetica, si “disconnette” e cerca di riconnettersi altrove. Da cui la necessità di osservazioni continue per studiare questa dinamica.

Héctor: Esatto, e inoltre con altissima risoluzione spaziale. Prima accennavo al “pixel” minimo che riusciamo a risolvere. Uno dei problemi della riconnessione è che avviene in una regione estremamente piccola (anche se poi ha conseguenze su larga scala), probabilmente nell’ordine di poche decine di chilometri, e noi vogliamo arrivare a vedere addirittura quelle scale di lunghezza, il che è molto difficile. Per questo necessitiamo di telescopi di grandi dimensioni. E, poiché dobbiamo guardare attraverso l’atmosfera terrestre, serve anche l’ottica adattiva, una delle principali sfide tecnologiche della fisica solare: per di più, è diversa dall’ottica adattiva in astronomia notturna. Ecco un’altra grande sfida, realizzare telescopi solari da 4 metri con il relativo sistema di ottica adattiva.

Thomas: Possiamo dire che l’EST sarà una generazione successiva a DKIST, incorporando una serie di innovazioni in ottica adattiva e altri aspetti. Dal momento che, per quanto ho capito, nell’astrofisica solare il problema è la turbolenza causata dalla temperatura del terreno, più alta di giorno (si osserva il Sole in pieno giorno!), e per questo occorre costruire torri molto elevate. Ci sono molte perturbazioni atmosferiche, è tutto più complicato. Inoltre, bisogna scomporre lo spettro in diversi rami per differenti strumenti. Quindi si può dire che l’EST sarà la “nuova generazione” post-DKIST, che andrà a migliorare i risultati?

Héctor: Sì, è un’ottima osservazione. I telescopi solari si differenziano da quelli notturni in molti aspetti. Uno di questi è proprio ciò che hai citato: in genere si costruiscono in cima a torri alte, e il motivo primario è quello che hai spiegato. Se osservi il Sole, lo fai di giorno: il Sole è una sorgente di calore nel cielo, e questo calore riscalda il suolo. Il calore è il nostro nemico, perché induce turbolenza e convezione nell’aria, peggiorando le condizioni osservative. L’atmosfera di giorno non è la stessa che di notte; questo è intuitivo: tutti abbiamo visto il tipico effetto “miraggio” sull’asfalto arroventato in un giorno afoso, quelle tremolanti distorsioni dell’aria che offuscano la vista. Ecco, lo stesso fenomeno, seppur su scala minore, disturba le osservazioni astronomiche. Quindi, di giorno la turbolenza è più marcata e, in fisica solare, ogni metro in più di elevazione dal suolo aiuta. Idealmente, ci piacerebbe avere torri alte 500 metri, ma non possiamo farlo — costi, permessi e buon senso non lo permettono — quindi ci si limita magari a 30-40 metri, perché ogni metro di altezza riduce un po’ le turbolenze vicino al suolo. In più, c’è l’ottica adattiva, che corregge le perturbazioni introdotte dall’atmosfera. È diversa da quella notturna sia perché le condizioni diurne differiscono, sia perché, in astronomia notturna, abbiamo un cielo buio con oggetti puntiformi (stelle e galassie lontanissime). L’ottica adattiva notturna funziona puntando una stella di riferimento (a volte anche una stella laser artificiale) e cercando di mantenerla quanto più “puntiforme” possibile: quello è il parametro di qualità. Nel Sole, invece, non c’è un “puntino” da mettere a fuoco: è un disco esteso. Non hai un singolo parametro a cui ancorarti per dire “ecco la forma ideale da mantenere”. Inoltre, non si può proiettare una stella laser in faccia al Sole, sarebbe completamente “sommersa” dalla sua luce. Quindi l’ottica adattiva solare dev’essere progettata praticamente da zero, non possiamo limitaci a riciclare le tecniche notturne di decenni di esperienza. Detto questo, la nostra collaborazione con DKIST è molto forte: di recente (a novembre) abbiamo avuto la PDR (“Preliminary Design Review”), cioè una revisione tecnica di un gruppo di esperti indipendenti a livello internazionale — molti dei quali erano coinvolti in DKIST — che esaminano il design ottico e quello dell’ottica adattiva semplificata. È come un esame: ogni grande progetto deve superare diverse fasi di revisione. In quell’occasione, i tecnici DKIST ci hanno dato preziosi consigli, raccontandoci i problemi riscontrati e come li hanno risolti. Questo è lo spirito collaborativo della scienza, che non è una gara in cui si cerca di svantaggiare gli altri. Sono i dati a contare: più ce ne sono, meglio è. Thomas: Inoltre, la costruzione di EST pone sfide tecnologiche e ingegneristiche che producono un impatto economico e sociale. Héctor: Sì, ed è proprio su progetti di questa portata che si fondano le aziende di tecnologia avanzata. Noi, ad esempio, per EST non possiamo usare camere commerciali esistenti, perché i nostri requisiti non sono ancora soddisfatti dalla tecnologia attuale. Abbiamo già parlato con alcune aziende interessate a sviluppare nuovi metodi che forse saranno in grado di soddisfare le specifiche richieste, ma ciò richiede anni di lavoro, investimenti, personale specializzato e laboratori. Queste imprese campano di questo tipo di progetti. I Paesi che mettono i fondi in EST, poi, ottengono ritorni industriali. Paesi come Germania, Regno Unito o quelli scandinavi investono molto in progetti apparentemente “inutili” come telescopi spaziali, o un telescopio solare, ma in realtà puntano a far crescere la propria industria tecnologica. Insomma, è una scommessa sul futuro, affinché le prossime generazioni possano beneficiare di lavori creativi, di sviluppo e ricerca, che costituiscono (insieme ad altre professioni creative) il futuro del lavoro umano.

Thomas: Quando un Paese finanzia e partecipa con la sua industria a un progetto come questo, ottiene più diritti di osservazione, giusto? Ci sono progetti prioritari o fasce orarie a cui si può accedere con maggiore facilità, perché il tempo è sempre limitato in osservatori così ambiti.

Héctor: Sì, esatto, soprattutto con osservatori di classe “unici”, come DKIST. DKIST non è europeo, quindi noi ricercatori europei dobbiamo fare accordi con gli statunitensi che ne hanno l’accesso privilegiato e guidano i progetti. Se esce fuori una grande scoperta, l’IP (il Principal Investigator) che ha l’accesso diretto è statunitense, e dunque il merito va a loro. Ed è normale, hanno fatto la loro scelta d’investimento, il loro Paese ha messo i soldi, ed è corretto che ne raccolgano anche i frutti. Questa è la controparte: da un lato, hai il ritorno industriale di cui parlavamo, dall’altro hai la possibilità di sfruttare direttamente le infrastrutture. Il modello di gestione dipende dagli accordi tra i Paesi finanziatori. Di solito, si suddivide il tempo di osservazione: una quota è “riservata” ai partner, un’altra è aperta a bandi pubblici per accogliere le migliori proposte, perché chi costruisce un osservatorio vuole anche grandi scoperte, visibilità, ricadute scientifiche. Di solito si fa un modello misto, in cui si cerca un equilibrio. Talvolta si stabilisce che i dati raccolti dai consorzi partner restino privati per un certo periodo (un anno, un anno e mezzo) e poi diventino pubblici, così che, se i partner non analizzano tutto, chiunque possa farlo in un secondo momento. Così la scienza non va persa.

Thomas: Passando a un altro tema: al momento siamo piuttosto lontani dal poter fare una previsione affidabile del “meteo” solare, eppure ci stiamo lanciando in missioni con equipaggi umani, stazioni spaziali intorno ad altri pianeti come Marte. Ti chiedo: è sicuro intraprendere queste missioni senza avere alcuna certezza sul comportamento del Sole per la durata della missione con equipaggio umano, di durata potenzialmente anche di svariati mesi?

Héctor: Non è sicurissimo, ma non è neanche una follia. Gli astronauti che vanno nello spazio accettano un certo rischio professionale, perché sanno che riceveranno una dose di radiazione superiore a quella di chi resta sulla superficie terrestre. Però non è più un rischio enorme come un tempo, è ragionevolmente gestito. Non possiamo prevedere in anticipo i brillamenti solari, però possiamo osservare in tempo reale se si sta verificando un evento e dare un preavviso di qualche ora. Al punto di L1 di Lagrange, a circa un milione e mezzo di chilometri dalla Terra (pari a circa l’1% della distanza Terra-Sole), abbiamo sonde che misurano flussi di particelle e, in particolare, l’intensità del campo magnetico. Grazie a questo, ci resta circa un’ora di preavviso prima che la tempesta arrivi sulla Terra. Per gli astronauti vale lo stesso, ma la domanda è: che cosa si può fare in un’ora? Sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) esiste un’area più “blindata” contro le radiazioni, ma non è una protezione assoluta. “Blindata” potrebbe dare un falso senso di sicurezza: arrivano protoni ad alta energia dal Sole e, se esposti troppo a lungo, aumentano il rischio di cancro. Per fermare del tutto queste particelle servirebbero pareti spesse 20 cm di un metallo denso, e nello spazio è impraticabile per motivi di massa. Quindi, sull’ISS si riduce un po’ la dose, ma non la si annulla. Per un viaggio verso Marte, poi, la protezione sarebbe ancor minore. È un tragitto di mesi, e se accade una grossa tempesta, la si subisce senza possibilità di riparo. Probabilmente esisterà una zona “più sicura” nella navicella, ma resti comunque esposto. Forse si pianificheranno i lanci nei periodi di attività minima del Sole (il ciclo solare dura 11 anni), ma non c’è alcuna garanzia che non capiti un brillamento. Quindi, è un rischio che gli astronauti devono accettare. “Questa gente è un po’ pazza!” (ride) Fanno di tutto.

Thomas: Quanto manca, secondo te, per poter fare previsioni di medio-lungo termine sul comportamento solare? Progetti come l’EST possono aiutarci a risolvere questi quesiti?

Héctor: Sì, credo proprio di sì. Questioni come quella dell’abbondanza di ossigeno nel Sole si risolveranno, a mio parere, entro cinque-dieci anni, grazie a grandi telescopi e nuovi dati. Per quanto riguarda le previsioni del meteo solare, credo che tra una decina d’anni, avendo osservazioni migliori e capendo a fondo la riconnessione, potremmo iniziare a fare simulazioni di regioni attive e stimare la probabilità che tali regioni producano certe tempeste. Predire con esattezza il “quando” e il “come”, con mesi di anticipo, mi sembra ancora lontanissimo. È un po’ come la meteorologia terrestre: sappiamo che la stagione degli uragani è in autunno, ma non possiamo dire che l’anno prossimo, in un certo giorno, ci sarà un uragano. Sono processi caotici, di dinamica non lineare.

Thomas: A livello pratico, basterebbe disporre del tempo necessario ad attivare i sistemi di allerta e protezione, no? Quello è il fondamentale. Al momento, forse, non lo abbiamo così ben definito.

Héctor: Esattamente. Poter individuare con qualche giorno di anticipo il tipo di attività che scaturirà da una regione attiva sarebbe già un grande progresso. E in particolare è importante saper prevedere il segno del componente del campo magnetico Bz, se è positivo o negativo, in quanto questo determina quanto sarà rilevante l’impatto di una tempesta solare sulla Terra. Con simulazioni abbastanza raffinate di una regione attiva che si sta formando, e grazie a misure precise della riconnessione rapida, fra 15-20 anni potremmo essere in grado di fornire queste previsioni.

Thomas: Vuoi approfondire il concetto di onda di Alfvén e spiegare come si colleghino i campi magnetici del plasma in arrivo con quello terrestre?

Héctor: Certo. Chiamiamo “onde di Alfvén” quelle onde magnetoidrodinamiche che si manifestano nei fluidi ionizzati (plasmi) soggetti a campi magnetici. La magnetoidrodinamica studia l’accoppiamento fra plasma e campo magnetico, che si comporta come un unico “fluido magnetico”. Nei fluidi ordinari (aria, acqua) esistono onde di pressione (onde sonore) e onde di gravità (come quelle del mare, da non confondere con le onde gravitazionali dello spaziotempo). In un plasma permeato da un campo magnetico, emergono anche onde di tipo “magnetico”. Poiché il campo magnetico agisce come un “elastico”, se lo si perturba si generano onde che si propagano lungo le linee di campo. Hannes Alfvén (il fisico svedese) le ha studiate teoricamente, e sono cruciali perché trasportano energia da uno strato all’altro del Sole. In fisica solare, uno dei problemi classici è capire perché la corona solare sia tanto calda (anche oltre un milione di gradi), dato che, intuitivamente, ci si aspetterebbe che la temperatura diminuisca allontanandosi dalla zona centrale del Sole dove avviene la fusione termonucleare. Invece, negli strati più alti la temperatura risale a milioni di gradi. Sebbene i dettagli non siano ancora del tutto chiari, è molto probabile che le onde di Alfvén trasferiscano parte dell’energia dagli strati più bassi fino alla corona, scaldandola. Inoltre, le linee del campo magnetico solare si estendono teoricamente fino a grandi distanze nello spazio, formando la cosiddetta spirale di Parker, poiché, mentre il Sole ruota, le linee si avvolgono a spirale e si collegano poi alle magnetosfere dei vari pianeti. La Terra ha il proprio campo magnetico, la cosiddetta magnetosfera, che interagisce col campo solare. Di fatto, il campo magnetico è unico: non esiste un campo magnetico “solare” e uno “terrestre” separati, è tutto parte di un medesimo continuum, e a seconda dei movimenti relativi di Sole e Terra, queste linee si connettono in un certo modo. Quando una perturbazione (un brillamento) viaggia verso la Terra lungo tali linee, ne risulta un’“interazione” che colpisce la magnetosfera terrestre. In qualche modo, la Terra è “magneticamente connessa” al Sole, un concetto affascinante a pensarci.

Thomas: Non si può prevedere in anticipo se il flusso in arrivo si accoppierà “bene” o “male” con quello terrestre, quindi c’è solo la possibilità di predire probabilità che avvengano certi fenomeni.

Héctor: Sì, esattamente. Quando arriva una tempesta solare, ci sono due effetti: da un lato, c’è un flusso di particelle cariche che, interagendo col campo magnetico terrestre, è costretto a muoversi lungo le linee di forza, arrivando ai poli — dove il campo emerge in prossimità del Polo Nord e del Polo Sud — e qui penetra gli strati alti dell’atmosfera, producendo le aurore boreali e australi. Dall’altro lato, la perturbazione del campo magnetico, viaggiando nello spazio interplanetario, giunge fino alla magnetosfera terrestre, che inizia a vibrare a sua volta. La vibrazione del campo magnetico terrestre induce correnti elettriche nei conduttori (secondo le equazioni di Maxwell). Qualsiasi struttura metallica (linee elettriche, dispositivi elettronici) può essere attraversata da correnti indotte, a volte superiori alla soglia di sicurezza, causando guasti, blackout, malfunzionamenti su vasta scala.

Thomas: Per concludere: è un grande privilegio avere una stella così vicina, da cui possiamo imparare moltissimo su ciò che rende un astro “compatibile” con la vita e su come si formano le zone abitabili. Eppure, l’attenzione rivolta al Sole è relativamente bassa, soprattutto se confrontata con altri oggetti più “esotici”.

Héctor: Sì, credo comunque che all’interno dell’astrofisica l’interesse per il Sole stia crescendo, perché l’attività stellare è un tema sempre più centrale. Il problema è che l’attività deriva dai campi magnetici e, se vuoi misurare un campo magnetico stellare, sul Sole lo puoi fare con la polarimetria, ma sulle altre stelle è difficile; in genere bisogna selezionare stelle con campi molto intensi. Oppure, possiamo studiare super-brillamenti (superflare) su stelle simili al Sole, che presentano a volte centinaia o migliaia di volte più intensi dei brillamenti solari. Ciò è diventato di grande interesse negli ultimi tempi perché siamo molto focalizzati sulla ricerca di vita altrove. L’obiettivo principe dell’astrofisica del XXI secolo è trovare pianeti abitabili. E ci siamo resi conto che un fattore cruciale è l’attività della stella attorno a cui quel pianeta orbita. Ad esempio, la nostra definizione di “zona abitabile” oggi non tiene conto pienamente dell’attività stellare, eppure è un elemento decisivo. Alcuni pianeti, benché teoricamente nella “fascia di abitabilità” per temperatura e distanza, potrebbero aver perso l’atmosfera a causa dell’attività della loro stella. Marte, per esempio, è quasi nella stessa fascia della Terra, ma non ha più un campo magnetico globale e ha perso l’atmosfera. All’inizio del Sistema Solare poteva essere anche più abitabile della Terra; forse vi si è originata la vita. Ora c’è molto interesse per le cosiddette nane rosse, che sono la metà delle stelle della Galassia. Sono molto attive e violente, con super-brillamenti frequenti, e ci si chiede se la vita possa svilupparsi attorno a tali stelle. Se la risposta è sì, potremmo scoprire vita entro vent’anni, perché le nane rosse sono anche le stelle più vicine a noi e le più frequenti. Se invece risulta impossibile, rimarrebbero soltanto le stelle di tipo solare (circa il 7% della Galassia), che spesso sono molto più distanti: trovare pianeti simili alla Terra lì diventa molto più complicato. È dunque un tema caldissimo in astrofisica: capire l’attività magnetica delle stelle, perché è la chiave per stabilire se un pianeta possa o meno sostenere la vita.

Thomas: In effetti, è un campo vastissimo, quello dell’astrofisica solare. E, per chiudere, ricordiamo che intorno al 1611 Galileo, appena un anno dopo aver puntato il suo cannocchiale nel cielo, scoprì che il Sole non era perfetto: vide le macchie solari. Insieme alle fasi di Venere, quella scoperta fu forse decisiva per capire che anche il Sole e l’Universo esterno non sono immutabili, ma hanno evoluzione e fasi: fu una grande rivoluzione, e proprio per questo sarebbe fondamentale che l’Italia continuasse a rafforzare il suo impegno in EST, anche dal punto di vista delle università. Vuoi mandare un messaggio ai colleghi italiani?

Héctor: Sì, con grande piacere! Tra l’altro, solo tre settimane fa abbiamo ricevuto ufficialmente la lettera di intenti dei nostri colleghi italiani per entrare nella fondazione EST attraverso un consorzio di università. Ne siamo molto contenti! Abbiamo avuto un incontro due settimane fa con il Consiglio della Fondazione (che raduna tutti i partner di EST), e lì è stata approvata l’adesione dell’Italia. Siamo molto riconoscenti ai colleghi italiani per il loro sostegno e felici di accoglierli nel progetto. Io, personalmente, ne sono entusiasta perché collaboro con alcuni di loro e non vedo l’ora di avere ulteriori interazioni all’interno del progetto EST, che sarà un altro dei tanti progetti che portiamo avanti insieme.

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Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC): un faro di eccellenza sull’Atlantico

L’Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) nasce nel 1975 dall’intuizione di unire la tradizione scientifica spagnola con le straordinarie condizioni osservative delle Canarie. È frutto di un accordo fra il Governo spagnolo, il Governo delle Isole Canarie e l’Università di La Laguna, in un sodalizio che fin dalle origini ha puntato all’innovazione e all’eccellenza. Oggi l’IAC si fregia del prestigioso titolo di Centro di Eccellenza “Severo Ochoa”, conseguito nel 2012 per la qualità delle sue ricerche, la forte vocazione internazionale e la capacità di generare nuove tecnologie. Il cuore pulsante dell’istituto è formato da una comunità di circa 400 specialisti — tra ricercatori, tecnologi e personale di supporto — in rappresentanza di oltre 40 nazionalità diverse, accomunati dall’obiettivo di decifrare i segreti del Cosmo. Oltre alla fisica solare, l’IAC si occupa dello studio di galassie, della cosmologia, della struttura e dell’evoluzione stellare e sin dal 2020 ha anche a disposizione una sede distaccata che si occupa del lato più ingegneristico e tecnologico dell’esplorazione del cosmo: IACTech, una struttura dove si stanno elaborando alcuni dei progetti più innovativi nel campo dell’astrofisica europea. Il fiore all’occhiello dell’IAC è sicuramente l’osservatorio del Roque de los Muchachos, sulla vicina isola di La Palma, dove svetta il maestoso Gran Telescopio Canarias, con uno specchio da 10,4 metri di apertura. Il Telescopio Nazionale Galileo, eccellenza italiana con uno specchio da 3,5 e uno dei primi esempi di ottica adattiva, è sito a breve distanza dal GranTeCan. E’ presente anche l’osservatorio di Izaña, sul vulcano Teide, a Tenerife, che si occupa di osservazione solare. Sempre ad Izañaè in costruzione l’osservatorio italiano ASTRI Gamma, dedicato allo studio della radiazione Cherenkov di alta energia dovuto ai raggi cosmici e ai Gamma Ray Burst. In questi paesaggi unici, grazie ad un cielo limpido e protetto da rigorose normative contro l’inquinamento luminoso (La Palma ha ottenuto il certificato “Starlight” per la difesa del diritto alla fruizione del cielo notturno), l’IAC ha costruito la propria reputazione come centro propulsore di scoperte, in collaborazione con le più prestigiose agenzie spaziali (ESA, NASA, ESO) e università internazionali. Le centinaia di articoli pubblicati ogni anno su riviste di alto impatto testimoniano un fermento scientifico e tecnologico che attrae giovani talenti e menti creative da tutto il pianeta. Attualmente il direttore è Valentín Martínez Pillet, ex direttore del National Solar Observatory di Boulder, in Colorado, USA. Per maggiori informazioni e spunti per la didattica si rimanda al sito ufficiale del progetto www.est-east.eu/

L’articolo è pubblicato in COELUM 272 VERSIONE CARTACEA