Eliosismologia: dalle onde sulla superficie del Sole al suo nucleo

L’eliosismologia è lo studio della struttura e delle dinamiche interne del Sole attraverso le sue oscillazioni superficiali. Queste sono causate principalmente da onde sonore e di pressione che vengono guidate e smorzate dalla convezione vicino alla superficie del Sole. Le oscillazioni del Sole furono individuate per la prima volta nei primi anni ’60; nel decennio successivo si scoprì che queste oscillazioni si propagavano attraverso il Sole e permettevano agli scienziati di studiarne la struttura interna. L’eliosismologia ha subito una grande accelerazione quando sono iniziate le osservazioni ininterrotte del Sole dalle vicinanze del Polo Sud durante l’estate antartica. Inoltre, le osservazioni di molti cicli solari ha permesso agli eliosismologi di studiare i cambiamenti nella struttura solare nell’arco temporale di decenni. Questi studi sono possibili grazie alle reti di telescopi globali come il Birmingham Solar Oscillations Network o il Global Oscillations Network Group, che operano su quest’argomento da oltre 20 anni.

Le scoperte più importanti dell’eliosismologia

L’eliosismologia ha contribuito a numerose scoperte scientifiche. La più importante è la dimostrazione che il flusso di neutrini dal Sole non poteva essere causato da un difetto nei modelli stellari, ma era invece un problema di fisica delle particelle. Dopo questo cambio di punto di vista il problema dei neutrini solari fu risolto grazie all’introduzione del concetto di oscillazione del neutrino; questa scoperta valse agli astrofisici Takaaki Kajita e Arthur McDonald il premio Nobel per la fisica nel 2015. L’eliosismologia ha permesso di effettuare accurate misurazioni dei momenti di quadrupolo elettrico del potenziale gravitazionale del Sole; essi sono consistenti con la teoria della relatività generale, e quindi ne costituiscono una prova fisica. I primi calcoli eliosismici del profilo di rotazione interna del Sole mostrarono una netta separazione tra un nucleo in rotazione rigida e un involucro in rotazione differenziale. Il confine tra queste due zone è ora noto come tachocline ed è una componente fondamentale della dinamo solare che genera il campo magnetico della stella.

Tipi di oscillazioni solari

I modi oscillatori del Sole vengono interpretati come vibrazioni di un fluido auto-gravitante e con simmetria sferica in equilibrio idrostatico. Ogni modo è caratterizzato da tre parametri: il numero di gusci sferici lungo il raggio (ordine radiale n), il numero di cerchi su ogni guscio (ordine angolare l), quanti di quei cerchi sono longitudinali rispetto al guscio (ordine azimutale m). I modi oscillatori di pressione sono onde sonore permanenti. La forza dominante che mantiene le oscillazioni è la pressione. Tutte le oscillazioni solari che vengono utilizzate per costruire modelli sul suo interno sono di pressione, con frequenze tra 1 e 5 millihertz.

I modi oscillatori gravitazionali sono modi a bassa frequenza confinati nel nucleo convettivamente stabile. La forza che mantiene i modi è la galleggiabilità, e quindi indirettamente la gravità. Nella zona convettiva essi sono evanescenti e quindi hanno piccole ampiezze in superficie; per questo non sono ancora stati visualizzati direttamente, ma ci sono prove indirette della loro esistenza. Le onde gravitazionali superficiali sono l’analogo delle onde del mare; in buona approssimazione seguono la stessa legge di dispersione, secondo la quale il quadrato della frequenza angolare è il prodotto tra gravità superficiale e numero di onde orizzontali.

L’analisi dei dati in eliosismologia globale

Il metodo migliore per analizzare i dati nell’eliosismologia globale è la trasformata di Fourier. In buona approssimazione, ogni modo è un oscillatore armonico smorzato, per il quale la potenza in funzione della frequenza è descritta dalla funzione di Lorentz. I dati così risolti vengono di solito integrati sull’armonica sferica desiderata per ottenere una singola storia temporale Fourier-trasformabile. Così gli eliosismologi possono trasformare uno spettro di potenza per ogni armonica sferica in uno spettro di potenza bidimensionale. Le basse frequenze sono dominate dalle variazioni causate dai granuli sulla fotosfera solare. I granuli producono un segnale troppo forte per le osservazioni eliosismiche, che deve essere filtrato prima dell’analisi dei modi.

L’analisi dei dati in eliosismologia locale

In eliosismologia locale si sfruttano diversi metodi di analisi per trarre conclusioni dai dati osservati. L’analisi dei diagrammi ad anello è usata per dedurre la velocità e la direzione dei flussi orizzontali al di sotto della superficie solare osservando l’effetto Doppler sulle onde acustiche ambientali dagli spettri di potenza delle oscillazioni solari calcolate in zone circoscritte della superficie solare. L’eliosismologia tempo-distanza ha l’obiettivo di misurare e interpretare il tempo di viaggio delle onde solari tra due punti della superficie del Sole. Le inomogeneità durante il percorso dell’onda perturbano il tempo del viaggio. quindi calcolando il tempo si può usare un problema inverso per dedurre la struttura e le dinamiche dell’interno del Sole tra i due punti. L’olografia eliosismologica consiste nell’usare il campo di onde sul disco visibile per dedurre il comportamento delle regioni attive sulla faccia nascosta del Sole e anche il campo di onde in ogni zona del nucleo solare. Nella modellazione diretta l’idea è di stimare i flussi sotto la superficie attraverso un’inversione delle correlazioni frequenza-numero d’onda del campo di onde superficiale nel dominio di Fourier.

Storia

Le oscillazioni solari furono osservate per la prima volta all’inizio degli anni ’60 come variazioni quasi periodiche dell’intensità e della velocità della linea di vista con un periodo di circa 5 minuti. Gli scienziati hanno realizzato gradualmente che le oscillazioni potessero riflettere i modi oscillatori globali del Sole; quindi predissero che i modi avrebbero formato delle creste nello spettro di potenza bidimensionale (ciò fu dimostrato nel decennio successivo). Gli astronomi Christensen-Dalsgaard e Gough furono i primi a comprendere il potenziale di usare i modi individuali per dedurre la struttura interna del Sole. Negli anni ’80, con l’inizio delle osservazioni continue del Sole dall’Antartide, l’eliosismologia si sviluppò rapidamente. Gli scienziati riuscirono a identificare gli ordini radiali dei modi correlando le frequenze dei modi a gradi angolari bassi e intermedi. Inoltre la scoperta di nuovi metodi di inversione permise di dedurre il profilo della velocità del suono nel Sole. Alla fine del decennio le osservazioni dimostrarono che le frequenze dei modi variano con il ciclo del campo magnetico solare.

Per osservare il Sole continuativamente anche di notte furono assemblate reti globali di telescopi, per le quali il Sole sarebbe stato sempre visibile. La possibilità di osservazioni ininterrotta ha portato il campo dell’eliosismologia alla piena maturità. Nel 1996 è entrato in funzione anche il telescopio spaziale Solar and Heliospheric Observatory (SoHO), che ha iniziato a fornire dati di alta qualità agli eliosismologi. Gli anni successivi videro la soluzione del problema dei neutrini solari e l’inizio delle analisi dei cicli di attività solare. Negli ultimi anni si è venuto a creare un problema ancora irrisolto nelle deduzioni degli eliosismologi: il problema dell’abbondanza solare; dettagliati modelli tridimensionali rivelano che il contenuto di elementi pesanti della fotosfera è inferiore rispetto a quello predetto dalle inversioni eliosismiche. Nel 2010 è stato mandato nello spazio un secondo telescopio che monitora costantemente il sole: il Solar Dynamics Observatory (SDO).