Sole Raggi Gamma e Cosmici
© 5W Infographics for Quanta MagazineSi pensava che le radiazioni gamma provenienti dal sole provenissero da raggi cosmici che interagiscono con il campo magnetico del sole e che poi si scontrano con molecole di gas vicino alla sua superficie. Ma questa teoria di lunga data non tiene conto della forza osservata e di altre caratteristiche del segnale dei raggi gamma solari.
Si pensava che la radiazione gamma proveniente dal sole provenisse da raggi cosmici che interagiscono con il campo magnetico del sole per poi collidere con le molecole di gas vicino alla sua superficie. Ma questa teoria di lunga data non tiene conto della forza e di altre caratteristiche del segnale dei raggi gamma solari osservati.

Le osservazioni decennali del sole con il telescopio hanno rivelato un mistero sorprendente: I raggi gamma, le onde di luce a più alta frequenza, irradiano dalla nostra stella più vicina sette volte più abbondantemente del previsto. Ancora più strano, nonostante questo estremo eccesso di raggi gamma nel complesso, una stretta larghezza di banda di frequenze è curiosamente assente.

L'eccesso di luce, il divario nello spettro e altre sorprese sul segnale dei raggi gamma solari indicano caratteristiche potenzialmente sconosciute del campo magnetico del sole o una fisica più esotica del previsto.

"È sorprendente che ci siamo sbagliati in modo così spettacolare su qualcosa che dovremmo capire davvero bene: il sole", ha riferito Brian Fields, un astrofisico delle particelle dell'Università dell'Illinois, Urbana-Champaign.


Commento: Il motivo potrebbe essere che la teoria di base sia 'spettacolarmente errata'. Non sarebbe la prima volta per la scienza mainstream.


Il segnale inaspettato è emerso nei dati del Fermi Gamma-ray Space Telescope, un osservatorio della NASA che scruta il cielo dal suo avamposto in orbita terrestre bassa. Man mano che si sono accumulati altri dati dal Fermi, che rivelano lo spettro dei raggi gamma provenienti dal sole in modo sempre più dettagliato, gli enigmi non hanno fatto altro che aumentare.

"Troviamo continuamente cose sorprendenti", dice Annika Peter della Ohio State University, una dei co-autori di una recente ricerca che riassume diversi anni di scoperte sul segnale solare dei raggi gamma. "E' in definitiva il lavoro più sorprendente che abbia mai svolto".

Non solo il flusso dei raggi gamma è di gran lunga più potente di quanto previsto da una teoria ritenuta valida per decenni; ma si estende anche a frequenze molto più alte di quanto previsto, e varia inesplicabilmente tra varie zone del sole e lungo il ciclo solare di 11 anni. Poi c'è una lacuna, che i ricercatori chiamano un 'tuffo' - una mancanza di raggi gamma con frequenze attorno ai 10 trilioni di trilioni di hertz. "Il tuffo è fuori da ogni logica", ha detto Tim Linden, un astrofisico della particelle dello stato dell'Ohio che ha contribuito ad analizzare il segnale.

Fields, che non era coinvolto nel lavoro, ha dichiarato, "Hanno svolto un ottimo lavoro con i dati, e il tutto ci dice che è qualcosa di veramente sorprendente".

I supposti protagonisti della storia sono particelle chiamate raggi cosmici - tipicamente dei protoni che sono stati sparati all'interno del sistema solare dalle onde d'urto di supernove o altre esplosioni.

I fisici non pensano che il sole possa emettere raggi gamma dal suo interno. (Le fusioni nucleari del nucleo possono produrli, ma si disperdono passando ad energie molto minori prima di lasciare la sfera solare). Tuttavia nel 1991, i fisici David Seckel, Todor Stanev e Thomas Gaisser dell'Università del Delaware hanno ipotizzato che il sole potrebbe comunque brillare di raggi gamma, a causa dei raggi cosmici che gli vanno contro dallo spazio esterno e che si immergono al suo interno.

Occasionalmente, argomenta il trio della Delaware, un raggio cosmico con direzione sole e che vi si immerge, potrebbe essere "specchiato", o deviato attorno all'ultimo secondo dal potente campo magnetico solare. "Ricordate il cartone animato di Road Runner?" dice John Beacom, professore dello stato dell'Ohio e uno dei direttori a capo dell'analisi del segnale. "Immaginate il protone che corre diretto verso la sfera, e all'ultimo secondo inverte direzione venendoti incontro". Ma durante la sua via d'uscita, il raggio cosmico collide col gas presente nell'atmosfera solare, sfrigolando in una raffica di radiazioni gamma.

Sulla base della velocità con cui i raggi cosmici entrano nel sistema solare, della forza stimata del campo magnetico del sole, della densità della sua atmosfera e di altri fattori, Seckel e colleghi hanno calcolato che il processo di specchiatura è efficiente all'incirca all'1%. E hanno previsto un debole bagliore di raggi gamma.

Eppure il telescopio Fermi rileva, in media, sette volte più raggi gamma provenienti dal disco solare di quanto questa teoria dei raggi cosmici preveda. E il segnale diventa fino a 20 volte più forte di quanto previsto per i raggi gamma con le frequenze più alte. "Abbiamo trovato che il processo è stato coerente con il 100% di efficienza ad alte energie", ha detto Linden. "Ogni raggio cosmico che entra deve essere invertito". Questo è sconcertante, poiché i raggi cosmici più energetici dovrebbero essere i più difficili da riflettere.

E Seckel, Stanev e il modello di Gaisser non hanno detto nulla riguardo a un eventuale tuffo o calo. Secondo Seckel, è difficile immaginare come ci si possa ritrovare con un tuffo profondo e stretto nello spettro dei raggi gamma partendo dai raggi cosmici, che hanno un chiaro spettro di energie. E' difficile ottenere dei tuffi in generale, ha detto: "È molto più facile ottenere dossi che cunette". Se ho qualcosa che esce dal sole, va bene, è un canale in più. Come faccio ad avere un canale negativo?"

Forse il forte bagliore dei raggi gamma riflette una fonte diversa dai raggi cosmici. Ma i fisici hanno faticato a immaginare cosa. Da tempo sospettavano che il nucleo del sole potesse ospitare materia oscura - e che le particelle di materia oscura, dopo essere state attirate e intrappolate dalla gravità, potessero essere abbastanza dense da annientarsi a vicenda. Ma come potrebbero i raggi gamma prodotti dall'annientamento della materia oscura nel nucleo evitare di disperdersi prima di sfuggire al sole? I tentativi di collegare il segnale dei raggi gamma alla materia oscura "sembrano una cosa alla Rube Goldberg", ha detto Seckel.


Commento: Cercano di spiegare qualcosa che non comprendono per mezzo della 'materia oscura', che non è neanche dimostrato che esista.


Alcuni aspetti del segnale puntano ai raggi cosmici e alle ampie pennellate della teoria del 1991.

Per esempio, il telescopio Fermi rileva molti più raggi gamma durante il minimo solare, la fase del ciclo di 11 anni del sole quando il suo campo magnetico è più calmo e più ordinato. Questo ha senso, dicono gli esperti, se i raggi cosmici sono la fonte. Durante il minimo solare, più raggi cosmici possono raggiungere il forte campo magnetico vicino alla superficie del sole e farsi rispecchiare, invece di essere deviati prematuramente dal turbolento groviglio di linee di campo che pervade il sistema solare interno in altri momenti.

D'altra parte, i raggi gamma rilevati diminuiscono in funzione della frequenza ad una velocità diversa rispetto ai raggi cosmici. Se i raggi cosmici sono la sorgente, i due tassi dovrebbero corrispondere.

Se i raggi cosmici rappresentano o meno l'intero segnale dei raggi gamma, Joe Giacalone, un fisico eliosferico dell'Università dell'Arizona, dice che il segnale "ci sta probabilmente dicendo qualcosa di molto fondamentale sulla struttura magnetica del sole". Il Sole è la stella più ampiamente studiata, eppure il suo campo magnetico - generato dal vortice di particelle cariche al suo interno - rimane poco compreso, lasciandoci un'immagine sfocata di come funzionano le stelle.

Campo Magntico solare polarità
© NASA’s Goddard Space Flight Center Scientific Visualization StudioVisualizzazioni del campo magnetico del sole il 1° gennaio 1997, il 1° giugno 2003 e il 15 novembre 2013, basate sulle misurazioni dell'Osservatorio Solare e Eliosferico. Il verde indica la polarità positiva e il viola è negativo.
Giacalone punta alla corona, l'involucro di plasma sinuoso che circonda il sole. Per riflettere efficacemente i raggi cosmici, il campo magnetico nella corona è probabilmente più forte e orientato in modo diverso da quanto pensassero gli scienziati, ha detto. Tuttavia, ha osservato che il campo magnetico coronale deve essere forte solo molto vicino alla superficie del sole per non riflettere troppo presto i raggi cosmici, prima che entrino nella zona in cui l'atmosfera è abbastanza densa da provocare collisioni. E il campo magnetico sembra diventare particolarmente forte vicino all'equatore durante il minimo solare.

Questi nuovi indizi sulla struttura del campo magnetico potrebbero aiutare a svelare l'antico mistero del ciclo solare.

"Ogni 11 anni, l'intero campo magnetico del sole si inverte", spiegaIgor Moskalenko, uno degli scienziati dirigenti alla Stanford University che fa parte della collaborazione scientifica del Fermi. "Il sud prende il posto del nord e il nord va al posto del sud. Questo è un cambiamento drammatico. Il sole è enorme, e il motivo per cui osserviamo questo cambiamento di polarità e del perché sia così periodico, è un problema che ancora ci sfugge". I raggi cosmici, afferma, e lo schema dei raggi gamma che producono "possono rispondere a questa domanda molto importante: Perché il sole cambia polarità ogni 11 anni?"

Ma non ci sono ancora ipotesi valide sul perché il sole crei il 'tuffo' nello spettro dei raggi gamma a 10 trillioni di trillioni di hertz.È una caratteristica così insolita che alcuni esperti dubitano che sia reale. Ma se l'assenza di raggi gamma intorno a quella frequenza è un errore di calcolo o un problema con gli strumenti di Fermi, nessuno ne ha capito la causa. "Non sembra avere a che fare con la strumentazione utilizzata", replica Elena Orlando, un'astrofisica della Stanford e membro del team Fermi.

Quando Peter, Linden, Beacom e i loro collaboratori hanno trovato il 'tuffo' nei dati di Fermi l'anno scorso, hanno cercato in tutti i modi di liberarsene pubblicando la loro scoperta. "Penso che ci siano 15 pagine nell'appendice di diversi test che abbiamo eseguito per vedere se abbiamo sbagliato i calcoli", ha detto Linden. "Statisticamente, il 'tuffo' appare molto evidente".

Tuttavia, Orlando ha sottolineato che il movimento del sole attraverso il cielo rende l'analisi dei dati molto impegnativa. Lei dovrebbe saperlo; lei e un suo collaboratore hanno scoperto il flusso di raggi gamma provenienti dal sole per la prima volta nel 2008 utilizzando il satellite EGRET, il predecessore di Fermi. Orlando è stato anche coinvolto centralmente nell'elaborazione dei dati dei raggi gamma solari di Fermi. A suo avviso, saranno necessari ulteriori dati e analisi indipendenti per confermare che il 'tuffo' dello spettro è reale.

Un malfunzionamento del pannello solare ha tenuto il Fermi Telescope per lo più puntato lontano dal sole per lo scorso anno, ma sono state trovate delle soluzioni, giusto in tempo per il minimo solare. Le linee del campo magnetico del sole si stanno attualmente curvando in modo ordinato da polo a polo; se questo minimo solare è come l'ultimo, il segnale dei raggi gamma è ora al massimo della sua potenza. "Questo è ciò che rende tutto così eccitante", ha detto Linden. "In questo momento stiamo raggiungendo il picco del minimo solare, quindi speriamo di vedere un'emissione di energia più elevata [raggi gamma] con un certo numero di telescopi".


Commento: Le prove dimostrano che probabilmente sarà molto più drammatico dell'ultimo: Professor Valentina Zharkova explains and confirms why a "Super" Grand Solar Minimum is upon us


Questa volta, assieme a Fermi, raccoglierà i dati un osservatorio in cima alla montagna chiamato HAWC (per l'esperimento Cherenkov dell'acqua ad alta quota). HAWC rileva i raggi gamma a frequenze più alte di Fermi, che riveleranno una maggiore quantità di segnale. Gli scienziati sono anche ansiosi di vedere se lo schema spaziale dei raggi gamma cambia rispetto a 11 anni fa, dato che i raggi cosmici rimangono positivamente caricati, ma i poli nord e sud del sole si sono invertiti.

Questi indizi potrebbero aiutare a risolvere il mistero solare. Gli scienziati di HAWC sperano di riferire le loro prime scoperte entro un anno, e gli scienziati sia all'interno che all'esterno della collaborazione Fermi hanno già iniziato a scavare nei dati che ne derivano. Dato che la NASA è finanziata pubblicamente, "chiunque può scaricarli se vuole dare un'occhiata", ha detto Linden, che scarica i nuovi dati di Fermi quasi ogni giorno.

"Il peggio che può accadere è scoprire che il sole è più strano e più bello di quanto avremmo mai immaginato", ha detto Beacom. "E il meglio che può accadere è che scopriamo una sorta di nuova fisica".