Il Sole e il mistero dei raggi gamma
llustrazione del telescopio spaziale Fermi (Credit NASAGoddard Space Flight Center)
I raggi gamma – la luce di energia più elevata – emessi dalla nostra stella sono sette volte più abbondanti di quanto atteso, e presentano un “buco” in un certo intervallo di frequenze. Queste caratteristiche, evidenziate dalle osservazioni del telescopio spaziale Fermi della NASA, indicano che c’è ancora del lavoro da fare per capire il comportamento del campo magnetico del Sole, ma potrebbero anche nascondere una fisica del tutto nuova.
Un decennio di osservazioni astronomiche del Sole ha rivelato un mistero sorprendente: i raggi gamma, le onde di luce di più alta frequenza, si irradiano dalla stella più vicina a noi con un’abbondanza sette volte maggiore del previsto. Ancora più strano di questo eccesso estremo di raggi gamma è il fatto che una stretta banda di frequenze sia curiosamente assente.
La luce in eccesso, la lacuna nello spettro e altre sorprese riguardo al segnale dei raggi gamma solari potrebbero indicare caratteristiche sconosciute del campo magnetico del Sole o una fisica più esotica.
“È incredibile che ci siamo sbagliati così tanto su qualcosa che dovremmo capire molto bene: il Sole”, ha dichiarato Brian Fields, astrofisico delle particelle all’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign.
Il segnale inaspettato è emerso dai dati del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi, un osservatorio della NASA che analizza il cielo dall’orbita bassa terrestre. Via via che i dati di Fermi si sono accumulati, rivelando lo spettro dei raggi gamma provenienti dal Sole in un numero sempre maggiore di dettagli, i misteri si sono moltiplicati
“Abbiamo continuato a trovare cose sorprendenti”, ha detto Annika Peter della Ohio State University, coautrice di un recente libro bianco che riassume diversi anni di scoperte sul segnale dei raggi gamma solari. “È sicuramente la cosa più sorprendente a cui abbia mai lavorato”.
Il segnale dei raggi gamma non solo è molto più forte di quanto prevede una teoria vecchia di decenni, ma si estende anche verso frequenze molto più alte del previsto, e varia inspiegabilmente attraverso la faccia del Sole e durante il ciclo solare di 11 anni. Poi c’è la lacuna, che i ricercatori chiamano il “buco”:
un’assenza di raggi gamma con frequenze attorno ai 10 milioni di miliardi di miliardi di hertz. “Il buco sfugge a ogni logica”, ha detto Tim Linden, astrofisico delle particelle dell’Ohio State, che ha aiutato ad analizzare il segnale.
Fields, che non era coinvolto nel lavoro, ha dichiarato: “Hanno fatto un ottimo lavoro con i dati e la storia che raccontano è davvero incredibile”.
I probabili protagonisti della storia sono particelle chiamate raggi cosmici, tipicamente protoni che sono stati proiettati nel sistema solare dalle onde d’urto di supernove lontane o da altre esplosioni. I fisici non pensano che il Sole emetta raggi gamma dall’interno. (Le fusioni nucleari nel suo nucleo ne producono, ma si diffondono e si trasformano in luce di energia inferiore prima di lasciare il Sole.) Tuttavia, nel 1991, i fisici David Seckel, Todor Stanev e Thomas Gaisser dell’Università del Delaware, ipotizzarono che il Sole avrebbe potuto comunque emettere nei raggi gamma, a causa dei raggi cosmici che arrivano dallo spazio e penetrano in esso.
Di tanto in tanto, argomentavano i tre ricercatori, un raggio cosmico in discesa verso il Sole sarebbe stato ributtato indietro all’ultimo secondo dal vorticoso e tortuoso campo magnetico del Sole. “Avete presente i cartone animati di Wile E. Coyote?” ha detto John Beacom, professore dello stato dell’Ohio e tra i leader dell’analisi del segnale. “Immaginate che il protone si diriga dritto verso quella sfera, e all’ultimo secondo cambi direzione e ritorni contro di voi”. Ma mentre procede verso l’esterno, il raggio cosmico si scontra con il gas dell’atmosfera solare e si trasforma in una raffica di radiazioni gamma.
dai raggi cosmici ai raggi gamma
In base alla velocità con cui i raggi cosmici entrano nel sistema solare, alla forza stimata del campo magnetico del Sole, alla densità della sua atmosfera e ad altri fattori, Seckel e colleghi hanno calcolato che il processo di riflessione all’indietro ha un’efficienza approssimativa dell’1 percento. Hanno previsto una debole emissione di raggi gamma.
Ma il telescopio Fermi rileva, in media, sette volte più raggi gamma provenienti dal disco solare di quanto previsto da questa teoria dei raggi cosmici. E il segnale diventa fino a 20 volte più forte del previsto per i raggi gamma alle frequenze più alte. “Abbiamo scoperto che il processo è coerente con un’efficienza del 100 per cento alle alte energie”, ha affermato Linden. “Ogni raggio cosmico che entra dev’essere riflesso”. Questo è sconcertante, perché i raggi cosmici più energetici dovrebbero essere i più difficili da riflettere.
E il modello di Seckel, Stanev e Gaisser non dice nulla di un buco. Secondo Seckel, è difficile immaginare come si può finire con un buco profondo e stretto nello spettro dei raggi gamma partendo dai raggi cosmici, che hanno uno spettro di energie uniforme. È difficile in generale avere dei buchi, ha detto: “È molto più facile ottenere gobbe che buchi. Se ho qualcosa che esce dal Sole, okay, è un canale extra. Come faccio a ottenere un canale negativo?”
Forse il forte brillamento di raggi gamma riflette una fonte diversa da quella dei raggi cosmici indicati. Ma i fisici fanno fatica a immaginare quale possa essere. Sospettavano da tempo che il nucleo del Sole potesse ospitare materia oscura e che le particelle di materia oscura, dopo essere state trascinate e intrappolate dalla gravità, potessero essere abbastanza dense da annichilarsi a vicenda. Ma come farebbero i raggi gamma prodotti dall’annichilazione della materia oscura nel nucleo a evitare la diffusione prima di sfuggire al Sole? I tentativi di collegare il segnale dei raggi gamma alla materia oscura “ricordano un macchinario inutilmente complicato”, ha detto Seckel.
Alcuni aspetti del segnale riportano ai raggi cosmici e all’impianto complessivo 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 in cui il suo campo magnetico è più calmo e più ordinato. Questo è ragionevole, dicono gli esperti, se i raggi cosmici sono la sorgente. Durante il minimo solare, più raggi cosmici possono raggiungere il forte campo magnetico vicino alla superficie del Sole ed essere riflessi indietro, invece di essere deviati precocemente dal groviglio turbolento delle linee di campo che pervade il sistema solare interno in altre fasi.
D’altra parte, i raggi gamma rilevati diminuiscono in funzione della frequenza con un tasso diverso dai raggi cosmici. Se i raggi cosmici sono la sorgente, ci si aspetterebbe che i due tassi corrispondano.
Che i raggi cosmici rappresentino o meno l’intero segnale dei raggi gamma, secondo Joe Giacalone, fisico dell’eliosfera dell’Università dell’Arizona, il segnale “probabilmente ci sta dicendo qualcosa di davvero fondamentale sulla struttura magnetica del Sole.” Il Sole è la stella più studiata, ma il suo campo magnetico – generato dal turbinante gorgo di particelle cariche al suo interno – rimane scarsamente comprensibile, lasciandoci un quadro sfocato del funzionamento delle stelle.
Giacalone indica la corona, la sottile busta al plasma che circonda il Sole. Per riflettere efficacemente i raggi cosmici, il campo magnetico nella corona probabilmente è più forte e orientato in modo diverso rispetto a quanto pensavano gli scienziati, dice. Tuttavia, osserva che il campo magnetico coronale dev’essere forte solo molto vicino alla superficie del Sole, in modo da non riflettere i raggi cosmici troppo presto, prima che siano entrati nella zona in cui l’atmosfera è abbastanza densa da provocare collisioni. E durante il minimo solare il campo magnetico sembra diventare particolarmente forte vicino all’equatore.
Questi nuovi indizi sulla struttura del campo magnetico potrebbero aiutare a svelare l’annoso mistero del ciclo solare.
“Ogni 11 anni, tutto il campo magnetico del Sole si inverte”, dice Igor Moskalenko, scienziato senior dell’Università di Stanford, che fa parte della collaborazione scientifica di Fermi. “Abbiamo il sud al posto del nord e il nord del sud. E’ un cambiamento spettacolare. Il Sole è enorme, e attualmente nessuno sa perché osserviamo questo cambiamento di polarità e perché è così periodico”. I raggi cosmici – continua – e il modello dei raggi gamma che producono “possono rispondere a questa domanda molto importante: perché il Sole cambia la polarità ogni 11 anni?”.
Ma non ci sono buone ipotesi su come il campo magnetico del Sole possa creare il buco nello spettro dei raggi gamma a 10 milioni di miliardi di miliardi 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 alcun effetto strumentale”, dice Elena Orlando, astrofisica di Stanford e membro del team di Fermi.
llustrazione del campo magnetico del Sole il 1° gennaio 1997 e il 1° giugno 2003, secondo le misurazioni condotte dal Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) dell’ESA/NASA. Il verde indica la polarità positiva, il viola quella negativa (NASA’s Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio)
Quando Peter, Linden, Beacom e i loro collaboratori hanno trovato il buco nei dati di Fermi lo scorso anno, si sono impegnati a fondo per eliminarlo prima di pubblicare la loro scoperta. “Penso che nell’appendice ci siano 15 pagine con i vari test che abbiamo effettuato per vedere se stavamo facendo male i calcoli”, ha detto Linden. “Statisticamente, il buco appare in modo molto evidente.”
Tuttavia, Orlando ha sottolineato che il movimento del Sole nel cielo rende l’analisi dei dati molto impegnativa. Lei ne sa qualcosa: fu lei, insieme a un collaboratore, a scoprire il flusso di raggi gamma provenienti dal Sole per la prima volta nel 2008 utilizzando il satellite EGRET, il predecessore di Fermi. Orlando è stata anche coinvolta nell’elaborazione dei dati dei raggi gamma di Fermi. A suo avviso, saranno necessari più dati e analisi indipendenti per confermare che il buco nello spettro è reale.
Un malfunzionamento del pannello solare ha tenuto il telescopio Fermi per lo più puntato lontano dal Sole per l’ultimo anno, ma sono stati trovate soluzioni alternative, giusto in tempo per il minimo solare. Le linee del campo magnetico del Sole sono curvate ordinatamente da un polo all’altro; se questo minimo solare è come l’ultimo, il segnale dei raggi gamma è ora al suo massimo. “E’ ciò che rende questo così eccitante”, ha detto Linden. “In questo momento stiamo solo toccando il picco del minimo solare, quindi speriamo di vedere l’emissione di raggi gamma di energia più alta con diversi telescopi”.
Questa volta, a raccogliere i dati insieme a Fermi ci sarà un osservatorio sulla cima di una montagna chiamato HAWC (High-Altitude Water Cherenkov). HAWC rileva raggi gamma a frequenze più alte di Fermi, che rivelano più cose sul segnale. Gli scienziati sono anche ansiosi di vedere se la distribuzione spaziale dei raggi gamma cambia rispetto a 11 anni fa, perché i raggi cosmici rimangono carichi positivamente ma i poli nord e sud del sole si sono invertiti.
L’esperimento HAWC, nel Parque Nacional Pico de Orizaba in Messico (J. GoodmanHAWC Collaboration)
Questi indizi potrebbero aiutare a risolvere il mistero solare. Gli scienziati dell’HAWC sperano di riferire le loro prime scoperte entro un anno, e gli scienziati sia all’interno della collaborazione di Fermi sia all’esterno hanno già iniziato a leggere attentamente i dati in corso. Dal momento che la NASA è finanziata pubblicamente, “chiunque può scaricarli se vuole dare un’occhiata”, ha detto Linden, che scarica quasi tutti i giorni i nuovi dati di Fermi.
“Il peggio che può accadere qui è scoprire che il Sole è più strano e più bello di quanto avessimo mai immaginato, il meglio è che scopriamo una sorta di nuova fisica”, ha concluso Beacom.
(L’originale di questo articolo è stato pubblicato il 1° maggio 2019 da QuantaMagazine.org, una pubblicazione editoriale indipendente online promossa dalla Fondazione Simons per migliorare la comprensione pubblica della scienza. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. )
di: Natalie Wolchover/Quanta Magazine
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