Ecco come e perché varia la composizione chimica del Sole

Un nuovo studio, accettato per la pubblicazione su The Astrophysical Journal, descrive il quadro fisico che spiegherebbe come mai la composizione chimica del Sole varia tra fotosfera, cromosfera e corona, e soprattutto in corrispondenza dei flares solari. La teoria, proposta e formulata per la prima volta 17 anni fa, troverebbe ora riscontro nelle osservazioni e getta le basi per future previsioni circa l’attività solare
di Valentina Guglielmo  
www.media.inaf.it 

Formulare una teoria fisica cercando di spiegare i dettagli può sembrare qualcosa di sospetto. Tentare di spiegare, con questa teoria, un fenomeno tanto inatteso quanto complesso e piccolo, può sembrare un gioco fine a sé stesso. Eppure, anche nella fisica spesso sono i dettagli a fare la differenza. Se è vero che il 95 per cento del contenuto dell’universo è sconosciuto e oscuro, è quel 5 per cento che – dando forma a galassie, stelle e pianeti – per noi fa la differenza. E se è vero che il 91 per cento della materia di cui è fatto il Sole è idrogeno, è un’infima frazione di elementi pesanti quali ferro, silicio o magnesio a stabilire l’emissione radiativa della corona solare nell’ultravioletto e nei raggi X: se l’abbondanza di questi ioni cambia, l’emissione radiativa cambia.

I dettagli, dicevamo. Non solo nella composizione, ma anche nella sua variazione. L’anomalia che ha crucciato gli esperti di fisica solare – fra cui Martin Laming, ricercatore al Naval Research Laboratory, Washington DC, e autore di uno studio, accettato per la pubblicazione su ApJ, che risolverebbe finalmente la questione – per circa 17 anni non riguarda infatti la composizione chimica del Sole nel suo complesso, bensì il disaccordo fra questa e quella osservata nei flares solari, che risulta l’esatto opposto rispetto a quanto atteso.

Il Sole, come ogni stella, è fatto a strati. Quelli più superficiali sono – in ordine dalla superficie solare verso l’esterno – la fotosfera, la cromosfera e la corona. La composizione chimica della cromosfera e della corona differiscono da quella della fotosfera per rapporto fra elementi pesanti neutri e ionizzati. Parliamo soprattutto di ferro, silicio e magnesio, tre metalli con un potenziale di prima ionizzazione (Fip, dall’inglese first ionization potential) relativamente basso: significa che, per questi metalli, l’energia richiesta per portarli dallo stato neutro a quello ionizzato strappando loro un elettrone è inferiore – nel caso dello studio in questione – a 10 eV. Elementi con un elevato Fip invece, come ossigeno, neon e argon, rimangono più facilmente neutri. Fino a qui, nulla di sorprendente per gli scienziati: l’insorgenza di tali differenze nella composizione può essere spiegata in modo lineare.

Il vero problema sorge nel momento in cui queste due classi di abbondanze – gli elementi a basso Fip e quelli ad alto Fip – si invertono. È quanto succede nelle stelle di tipo spettrale molto avanzato, e nei flares solari.

La teoria proposta da Laming sin dal 2004, e in particolare in quest’ultimo studio, attribuisce la variazione nel frazionamento chimico – il rapporto fra atomi neutri e ionizzati – alla forza ponderomotrice associata alle onde magnetoidrodinamiche: si tratta della forza che agisce sulle particelle cariche, gli ioni, quando questi si muovono nel campo elettromagnetico variabile del Sole. Un processo del tutto nuovo se associato alla fisica solare e all’astrofisica, ma già noto nelle scienze ottiche, e per il quale sono stati assegnati ben due premi Nobel a Steven Chu nel 1997 e Arthur Ashkin nel 2018.

Il campo magnetico solare è il responsabile di tutta l’attività che vediamo nella corona: brillamenti solari, espulsioni coronali di massa, vento solare ad alta velocità ed emissione di particelle energetiche – tutti fenomeni propagati o innescati da oscillazioni delle linee del campo magnetico.

«Le stesse onde, quando colpiscono le regioni più basse del Sole, causano il cambiamento della composizione chimica, cambiamento che noi percepiamo nella corona quando questo materiale si sposta verso l’alto», spiega Laming. «In questo modo, la composizione chimica coronale offre un nuovo modo di capire le onde nell’atmosfera solare, e nuove informazioni sull’origine dell’attività solare».

Non solo: l’attività costante del Sole – il cosiddetto solar weather, percepibile nei fenomeni menzionati sopra – ha delle conseguenze dirette sull’atmosfera terrestre e sui sistemi di comunicazione.

«Ciò che accade sul Sole ha effetti significativi sull’atmosfera superiore della Terra, quella che ospita le tecnologie radar e di comunicazione basate sulla propagazione delle radiofrequenze Over-the-Horizon o terra-spazio», commenta Christoph Englert, capo della Space Science Division del Naval Research Laboratory. Le conseguenze dell’attività solare, inoltre, riguardano anche gli oggetti in orbita. La radiazione viene assorbita negli strati atmosferici superiori della Terra e genera uno strato fisico di plasma, la ionosfera, che si espande e si contrae influenzando l’attrito atmosferico su satelliti e detriti orbitali.

«Il Sole rilascia anche particelle ad alta energia», continua Laming, «che possono causare danni a satelliti e altri oggetti spaziali. Si tratta di particelle microscopiche, ma è la loro velocità che le rende pericolose per l’elettronica, per i pannelli solari e per le apparecchiature di navigazione nello spazio».

La predizione accurata dell’attività solare e delle sue conseguenze è un obiettivo da perseguire a lungo termine, concludono gli scienziati, ma deve necessariamente passare attraverso la comprensione del funzionamento fisico della nostra stella, dall’interno alla superficie. Con dovizia di dettagli.

Per saperne di più:

Leggi il preprint dell’articolo in uscita su The Astrophysical Journal “The FIP and Inverse FIP Effects in Solar Flares”, di J. Martin Laming