La Sonda Parker “tocca” il Sole per la prima volta: nessuno ci era mai riuscito

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Per la prima volta nella storia, una creazione della specie umana, proveniente dal pianeta Terra, ha volato nella misteriosa e inesplorata atmosfera solare, nonché nella famosa “corona”, campionando particelle e campi magnetici.

Questo traguardo, raggiunto dalla NASA’s Parker Solar Probe il 14 dicembre 2021, ha permesso alla scienza di compiere un passo da gigante, proprio come l’atterraggio sulla Luna degli anni ’60, che portò alla comprensione della formazione del nostro satellite naturale; allo stesso modo, la sonda Parker, toccando l’atmosfera solare, aiuterà gli scienziati a rispondere a molte domande sulla nostra stella più vicina, a capire come funzionano le stelle dell’Universo, e come influenzano i loro pianeti come la Terra.

Prima di analizzare nel dettaglio le scoperte compiute, volando nell’atmosfera solare, soffermiamoci sulla genialità degli ingegneri della NASA, e su come siano riusciti a realizzare una sonda capace di resistere ad una temperatura elevatissima.

INGEGNERIA ESTREMA

Innanzitutto dobbiamo ricordarci come la Terra, che ha un diametro di 12.742 chilometri, si trovi a 150 milioni di chilometri dal Sole, il quale, a sua volta, ha un diametro di 1.392.700 chilometri; in pratica, se volessimo riempire tutto il Sole di pianeti come la Terra, senza lasciare nessuno spazio vuoto, ci vorrebbero ben 1,3 milioni di Terre per eguagliare il volume del Sole (una notizia “incoraggiante” è che la nostra stella, il Sole, è una delle stelle più piccole dell’Universo, o meglio, medio-piccole, per essere precisi).

Tutto questo per comprendere meglio la grandezza della missione, soprattutto dal punto di vista ingegneristico.

Ebbene, la distanza Terra-Sole è di 150 milioni di chilometri; la sonda della NASA Parker, invece, è arrivata a “soli13 milioni di chilometri dalla superficie del Sole, e il prossimo anno si avvicinerà fino a 6 milioni di chilometri di distanza dalla superficie solare. Naturalmente, per raggiungere questi obiettivi occorre, prima di tutto, proteggere la sonda dall’enorme calore. Per questo motivo gli ingegneri della NASA hanno pensato ad uno scudo protettivo in fibra di carbonio, spesso 11,43 cm e pronto a sopportare ben 1.377 gradi centigradi di calore e radiazioni.

Video credit: Animation of Parker Solar Probe entering the Sun’s corona — officially “touching the Sun.” (Johns Hopkins APL/Ben Smith)

La sonda possiede dei pannelli solari per procurarsi l’energia elettrica, i quali, per proteggersi dal calore, si ritraggono quando la navicella si avvicina al Sole, e si estendono quando si allontana. E non è tutto, la NASA ha creato un ulteriore sistema di protezione dal calore: il SACS (Solar Array Cooling System). Il SACS, inserito per la prima volta in una missione scientifica nello Spazio, protegge i pannelli solari dall’alta temperatura. Ma come funziona?

Si tratta di un sistema di gestione termica degli array solari, i quali vengono raffreddati ad acqua. L’acqua scorre attraverso dei mini canali, incorporati nei pannelli solari per assorbire il calore, dopodiché scorre in quattro radiatori per rilasciare il calore nello Spazio. Ciò mantiene i pannelli solari freschi mentre sono vicini al Sole, consentendo loro di generare energia in modo efficiente per il veicolo spaziale.

Il “Solar Array Cooling System” (SACS) è davvero il cuore e il sistema circolatorio della navicella spaziale; senza di essa, i pannelli solari non sopravvivrebbero al calore del Sole, e la sonda Parker non avrebbe l’energia per sopravvivere.

Per una missione del genere, a pochi milioni di chilometri dal Sole, nonché da una fonte gravitazionale estrema, la navicella viene “tirata” maggiormente dalla stella. Proprio per questo motivo la sua velocità arriva alle “stelle”, cioè aumenta sempre di più, a causa della fortissima attrazione gravitazionale. Infatti, quando si avvicina al Sole, raggiunge la velocità di 720.000 km/h: una velocità sbalorditiva (basta pensare che un’automobile può arrivare a 200 km/h, oppure un aereo di linea può arrivare a 1.000 km/h).

E non è facile entrare nell’atmosfera solare a 720.000 km/h, in un ambiente spaziale strapieno di particelle iperveloci, che fuoriescono dal Sole e, ad altissime velocità, si schiantano sulla navicella mentre sfreccia a tutta velocità (è un po’ come quando si viaggia in autostrada con l’automobile e, proprio per l’alta velocità, possono schiantarsi insetti, piccoli sassolini ecc…). Il famoso scudo protettivo non deve quindi proteggere solo dal calore, ma anche da queste particelle vaganti.

Una piccola curiosità: una sonda, quando viaggia nello spazio, si orienta anche guardando le stelle; essere colpiti da migliaia di particelle, che si incendiano dopo lo schianto, può quindi indurre il computer a credere che quei puntini luminosi siano le stelle, e così potrebbe far cambiare rotta alla navicella. Ma in questo caso non c’è nessun problema, perché vi sono altri sensori, i quali mantengono lo scudo protettivo rivolto verso il Sole, e correggono la rotta della navicella.

SCOPERTE SCIENTIFICHE

La sonda della NASA Parker Solar Probe, che è partita dalla Terra il 12 agosto 2018, ha volato per la prima volta nella storia all’interno dell’atmosfera solare, il 14 dicembre 2021.

A differenza della Terra, il Sole non ha una superficie solida. Possiede però un’atmosfera surriscaldata, composta da un materiale solare legato al Sole stesso, mediante la gravità e le forze magnetiche. Quando il calore e la pressione in aumento spingono quel materiale lontano dal Sole, esso raggiunge un punto in cui la gravità e i campi magnetici,  diventano troppo deboli per contenerlo.  Quel punto, chiamato “superficie critica di Alfvén”, segna la fine dell’atmosfera solare e l’inizio del vento solare.

In altre parole, dalla superficie solare viene espulso questo materiale, il quale, allontanandosi, raggiunge un punto in cui la gravità e i campi magnetici non riescono più a trattenerlo, e così esce dall’atmosfera solare, ed entra nel vento solare (questa zona intermedia, tra la fine dell’atmosfera solare e l’inizio del vento solare, si chiama “superficie critica di Alfvén”). Da questo momento in poi comincia a viaggiare nello spazio profondo. Proprio lì, può colpire un pianeta come la Terra (la Terra ha uno scudo, un campo magnetico, per proteggersi dal vento solare. A volte, può però danneggiare i satelliti terrestri, oppure penetrare nelle zone polari della Terra, formando le famose aurore).

Fino ad ora, gli scienziati non erano sicuri dove si trovasse esattamente quel punto, il cosiddetto “Alfvén”; infatti lo collocavano tra i 10 e i 20 raggi solari ( 1 raggio solare corrisponde a 695.700 chilometri); La sonda Parker è stata invece più precisa: si trova a circa 18,8 raggi solari (a 13 milioni di chilometri dalla superficie solare).

Durante il sorvolo dell’atmosfera, la sonda Parker è entrata e uscita dalla corona più volte, e questo ha permesso agli scienziati della NASA, di dare una “forma” alla “superficie critica di Alfvén”. Essa non ha infatti la forma di una palla liscia, ma presenta punte e valli che increspano la superficie. E’ come cercare di capire la forma dell’atmosfera terrestre; infatti la nostra atmosfera ha una forma sferica e liscia. Quella del Sole è invece frastagliata. Tutto questo aiuterà gli scienziati a capire anche la formazione del vento solare, il quale potrebbe colpire e danneggiare la Terra.

Continuando il suo viaggio, ad un certo punto, la Parker Solar Probe è scesa a poco meno di 15 raggi solari dalla superficie del Sole, attraversando una caratteristica della corona chiamata “pseudostreamer”. Questi ultimi sono strutture massicce che si elevano sopra la superficie del Sole e possono essere viste dalla Terra durante le eclissi solari.

Credit: NASA/Johns Hopkins APL/Naval Research Laboratory

Passare attraverso gli pseudostreamer è come volare nell’occhio di un ciclone. Durante l’attraversamento c’è una vera e propria tempesta ma, una volta arrivati nell’occhio del ciclone, tutto si calma. In questo caso la tempesta non era di pioggia e fulmini, ma di particelle iperveloci, che in seguito hanno rallentato la velocità. In altre parole, quando si viaggia nel vento solare si trova una raffica di particelle che si schiantano sulla navicella; invece, all’interno dello pseudostreamer la navigazione è più tranquilla.

Per la prima volta, la navicella spaziale si è trovata in una regione in cui i campi magnetici potevano dominare il movimento delle particelle. Queste condizioni erano la prova definitiva che la navicella spaziale avesse superato la “superficie critica di Alfvén”, ed era entrata nell’atmosfera solare, in cui i campi magnetici modellano il movimento di ogni cosa nella regione.

Il primo passaggio attraverso la corona, durato solo poche ore, è uno dei tanti previsti per la missione. Parker continuerà ad avvicinarsi a spirale verso il Sole, arrivando alla fine fino a 8,86 raggi solari (6,1 milioni di chilometri dalla superficie del Sole).

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Il prossimo sorvolo dell’atmosfera solare avverrà nel gennaio 2022.

Tutto questo servirà anche per migliorare il meteo spaziale, e riuscire a prevedere gli eventi che potrebbero influenzare la Terra e gli altri pianeti.

E non solo: la “superficie critica di Alfvén” potrebbe anche contenere la chiave per uno dei più grandi misteri solari: perché la corona del Sole, nonché la sua sottile atmosfera esterna, è molto più calda della superficie del Sole (è come se la nostra superficie terrestre avesse una temperatura di 20 gradi Centigradi; mentre l’aria, vicina al suolo, avesse una temperatura di 50 gradi centigradi).

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Man mano che ci si allontana dal Sole, la temperatura dovrebbe diminuire, ma questo non accade alla Corona. Questa ha infatti una temperatura di 1 milione di gradi centigradi; mentre la superficie solare, che dovrebbe essere molto più calda, ha una temperatura di qualche migliaio di gradi centigradi.

Articolo a cura di Fabio Meneghella