Spazio 2050 n. 5 - Il tempo del Sole by Spazio 2050

Rivista dell’Agenzia Spaziale Italiana

Luglio 2022

Il tempo del Sole In collaborazione con

Missioni spaziali e studi di frontiera per conoscere la nostra stella e il suo meteo spaziale

SPACE FOR LIFE CREDIAMO NELLO SPAZIO COME NUOVO ORIZZONTE DELL’UMANITÀ PER COSTRUIRE UNA VITA SULLA TERRA MIGLIORE E SOSTENIBILE.

SOMMARIO

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NUMERO 5, LUGLIO 2022

In copertina Solar Orbiter. Crediti: Esa/Atg medialab.

L'avventura di una stella chiamata Sole di Marco Cattaneo

Il viaggio di Parker di Luca Mingotti Landriani

Sole: è questione di fisica di Giuseppe Nucera

Vedi alla voce 'Sole' di Valeria Guarneri

Eugene Newman Parker, il pioniere dell’eliofisica di Giuseppina Pulcrano

Vivere sotto un'altra stella di Amedeo Balbi

Open Innovation: al via l’edizione 2022 del #T-TeC Telespazio di Marco Brancati

L'Italia solare - infografica a cura di Manuela Proietti

Sfiorando il Sole con Solar Orbiter di Giulia Bonelli

Rivista dell'Agenzia Spaziale Italiana Supplemento di Global Science Testata giornalistica gruppo Globalist Reg. Tribunale Roma 11.2017 del 02.02.2017 Stampato presso Peristegraf srl Via Giacomo Peroni 130, Roma

Aspis, un nuovo prototipo di centro dati scientifico dedicato allo studio dello Space Weather di Giuseppe Nucera

Cses-Limadou a caccia di terremoti dallo spazio di Manuela Proietti

Identikit dello Space Weather di Mirko Piersanti

Luce sull'Universo oscuro con Euclid di Redazione

Meteo spaziale, sorvegliato speciale di Mauro Messerotti

L’Italia sul Sole con la missione Soho di Fulvia Croci

Che tempo che fa… nel Sistema Solare di Barbara Ranghelli

SpacEarth Technology – Soluzioni commerciali dalla Scienza di Silvia Ciccarelli

Svelando il lato oscuro del Sole di Paolo D'Angelo

A cura di Unità multimedia ASI Responsabile Giuseppina Pulcrano

Progetto grafico Paola Gaviraghi

Direttore responsabile Gianni Cipriani

Si ringraziano i colleghi ASI Barbara Negri, Cristhina Plainaki, Marco Stangalini e Simona Zoffoli per la consulenza scientifica.

Coordinamento redazionale Manuela Proietti, Unità Multimedia ASI

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L’avventura di una stella chiamata Sole di Marco Cattaneo

Se alziamo la testa al cielo, in una notte limpida e senza Luna, in una località risparmiata dalle luci artificiali, riusciamo a contare qualche migliaio di stelle. Una manciata, rispetto allo sterminato paesaggio di astri che ci circonda. E che, grazie a strumenti sempre più potenti, stiamo catalogando con precisione e ostinazione. C’è da perdersi, a navigare nella gigantesca mappa della Via Lattea prodotta dalle osservazioni della missione spaziale Gaia e resa pubblica il 13 giugno dall’Agenzia spaziale europea. Quasi due miliardi di stelle, che a guardarle distrattamente sembrano puntini luminosi più o meno tutti uguali sparsi sul tappeto nero del cosmo. E pensare che tutte quelle stelle sono una minima parte di tutti gli astri che la compongono, almeno 100 miliardi. Tra tutte quelle stelle, ce n’è una speciale. O almeno speciale per noi. Perché in verità il Sole non sembra avere niente di speciale, a ben vedere. Anzi. A guardarlo con distacco è un’anonima stella della sequenza principale, situata su un braccio periferico del disco della galassia, a 28.000 anni luce dal suo centro. Eppure, nel suo essere una stella qualunque, ha i suoi numeri. Intanto contiene il 99,8 per cento della materia dell’intero sistema solare, ha un diametro oltre 100 volte superiore a quello della Terra e una temperatura alla superficie di circa 5.500 gradi, che però diventano 15 milioni nel suo nucleo, dove avvengono le reazioni di fusione che lo fanno brillare. E pur bruciando la bellezza di 5 milioni di tonnellate di idrogeno al secondo è lì da almeno 4 miliardi e mezzo di anni, e ci resterà per altrettanti, prima di esaurire il suo combustibile e trasformarsi in una gigante rossa. Mentre il suo nucleo si restringerà, gli strati più esterni saranno espulsi fino all’orbita di Marte, inghiottendo tutto ciò che incontreranno sulla loro strada, Terra compresa, e dando origine a una nebulosa planetaria. Alla fine di questo spettacolo, resterà una nana bianca, che continuerà a risplendere sempre più debolmente di calore residuo. Ma diamo tempo al tempo, e facciamo un passo indietro. 4 | SPAZIO 2050

William Herschel, alla fine del Settecento fu pionere della cartografia stellare.

Istoria e dimostrazioni intorno alle macchie solari di Galileo Galilei, Roma, 1613. Firenze, Biblioteca Nazionale Centrale.

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Lo sapeva già un pioniere della cartografia stellare come William Herschel, alla fine del Settecento, che non siamo in una posizione particolarmente privilegiata, nello spettacolo cosmico. Ma il Sole è la nostra stella. Quella da cui si è formato un sistema planetario che, fino a pochi decenni fa, era l’unico che conoscessimo, quella che, con la sua brulicante attività, ha permesso che su questo pianeta nascesse la vita. E noi, che ci facciamo domande. D’altra parte il Sole è così vicino che per gli antichi si trovava su un’orbita a due passi da noi, tra Venere e Marte. E quel suo nascere e morire quotidiano ha attirato l’attenzione dell’uomo dalla notte dei tempi. Per millenni però, la nostra curiosità su quanto accadesse in quella palla di fuoco sospesa sopra di noi è stata frustrata dalla sua luce accecante, che ci impedisce di guardarlo a occhio nudo se non a nostro rischio e pericolo. Eppure ci abbiamo provato. Tanto che già gli antichi astronomi cinesi, almeno nel II secolo a.C., avevano annotato la presenza di macchie, una ogni decennio secondo i loro testi, su quella superficie abbagliante apparentemente uniforme. E prima ancora Teofrasto di Atene, discepolo di Aristotele, nel suo De Signis Tempestatum, le aveva messe in relazione con il tempo meteorologico, arrivando a usarle per formulare previsioni del tempo, ça va sans dire, assai poco accurate. È con l’avvento del telescopio che abbiamo potuto

cominciare a osservare il Sole più da vicino, e tuttavia correndo ancora più rischi. Nel 1610 Thomas Harriot, astronomo e matematico inglese, pensò bene di osservarlo all’alba di un mattino d’inverno di fitta nebbia – secondo il proverbiale stereotipo londinese – quando la luce, pochi gradi sopra l’orizzonte, doveva attraversarne uno strato più spesso. Decisamente più ingegnoso fu il metodo architettato da Galileo in quegli stessi anni. Lo scienziato pisano studiò infatti il Sole senza fissarne la luce direttamente. Lasciava invece che la luce uscisse dall’oculare, proiettandola su un foglio di carta. E così non solo osservò le macchie solari con continuità, ma seguendo il moto di quelle che interpretò come nubi piatte sulla superficie della stella intuì che il Sole doveva ruotare sul proprio asse e dalla loro deformazione dedusse che era una sfera. Mettendo in crisi sia la concezione del Sole come astro perfetto sia l’immutabilità dei cieli e inasprendo così nel 1613, con la Istoria e dimostrazioni intorno alle macchie solari e loro accidenti, la sua interminabile sfida alle teorie degli aristotelici. Ancora a lungo, però, il Sole ci ha lasciati confinati alla sua superficie, dove via via abbiamo osservato le violente manifestazioni delle turbolenze che dovevano agitarne l’interno. Tra esse, i campi magnetici delle

Un'immagine dell'attività solare. Credits: Nasa/Sdo.

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macchie solari, che George Ellery Hale scoprì all’osservatorio di Mount Wilson. Ma per capire che cosa faccia divampare il Sole e le altre stelle – amore a parte, per non contrariare il sommo Dante – ci sono voluti tre secoli da Galileo, e anche qualcosa in più. Fu Arthur Eddington, nel 1920, il primo a suggerire che le stelle sprigionassero la loro energia grazie alla fusione di nuclei di idrogeno in elio e che gli elementi pesanti si formino al loro interno. E quasi vent’anni dopo, in un memorabile articolo su Physical Review Energy intitolato Production in Stars, Hans Bethe analizzò le possibili reazioni di fusione che avvengono nelle stelle, concludendo che i processi più plausibili erano due: la reazione a catena protone-protone, dominante nelle stelle di piccola taglia, fino a quella del Sole, e il ciclo carbonio-azoto-ossigeno, più rilevante nelle stelle più massicce della sequenza principale. Ma l’età dell’oro degli studi solari è arrivata con l’era spaziale, anche perché i satelliti possono rilevare radiazione solare e particelle che non arrivano fino a terra. Ed è precisamente 60 anni fa, con il lancio del primo satellite dell’Orbiting Solar Observatory, che abbiamo cominciato a misurare i raggi X e i raggi gamma emessi dai brillamenti solari. Di lì in poi le dinamiche che regolano l’attività del Sole – compresi i pericoli per la nostra fragile civiltà legati alle sue manifestazioni più violente – si sono chiarite sempre più in dettaglio, anche se il cammino per svelarne tutti i segreti è ancora lungo. «Ci sono tre meccanismi, in particolare, che stiamo esplorando con le missioni in corso», ci racconta Marco Velli, professore di fisica spaziale all’Università della California a Los Angeles e principal investigator della Parker Solar Probe, la sonda della Nasa lanciata nel 2018 con la missione di compiere osservazioni della corona esterna del Sole. «Il primo punto è capire perché esiste la corona solare e che cosa dà origine al vento». Perché il riscaldamento della corona, la parte più esterna dell’atmosfera del Sole, sembra un paradosso. Mentre alla superficie della stella si registra una temperatura di poche migliaia di gradi, la corona arriva a 2 milioni. «Dato che il calore non passa spontaneamente da un corpo freddo a un corpo caldo, c’è qualche meccanismo con cui il campo magnetico trasferisce energia alla corona. Ed è proprio il campo magnetico, perciò, che la genera, e allo stesso tempo la confina. Tra l’altro, il campo magnetico è il motore del vento solare, il flusso di particelle che dalla nostra stella pervade lo spazio interplanetario, ma poi si innescano dinamiche tra il campo magnetico stesso e il vento di cui capiamo ancora poco». Il vento solare è protagonista anche del secondo aspetto che si sta indagando con la sonda Parker, ma anche con il Solar Orbiter dell’Agenzia Spaziale Europea. «Dobbiamo capire com’è che il campo magnetico determina il vento», continua Velli. «Quali proprietà del vento sono legate alla sorgente sul Sole che lo emette, capire le proprietà fondamentali dei diversi tipi di vento solare. E con questo entrare nelle dinamiche dei brillamenti solari, delle tempeste magnetiche, delle espulsioni di massa coronale (o coronal mass ejection, Cme), che sono fenomeni fondamentali per lo space weather», vale a dire la meteorologia spaziale, la giovane scienza che studia le perturbazioni dello spazio interplanetario e come potrebbe arrivare a influenzare il funzionamento dei nostri sistemi tecnologici, nello spazio e a terra. «E infine stiamo cercando di capire i raggi cosmici solari, quale sia l’origine degli sciami di particelle energetiche emesse dal Sole. Perché alcuni brillamenti diano origine a fasci estremamente collimati mentre altri riempiono come una bolla tutta l’eliosfera». Tutto questo sembra lontanissimo dalla nostra quotidianità terrena, ma 6 | SPAZIO 2050

60 anni fa, il lancio del primo satellite dell’Orbiting Solar Observatory.

Il primo Orbiting Solar Observatory della Nasa durante le fasi di assemblaggio. Crediti Nasa.

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potrebbe avere implicazioni e applicazioni importanti in campi diversi. «Intanto potrebbe migliorare le nostre conoscenze in fatto di meteorologia spaziale – precisa Velli – perché con la capacità di prevedere eventi violenti siamo molto indietro. Non sappiamo prevedere con accuratezza né i brillamenti né le espulsioni di massa coronale, se non con un anticipo di poche ore. E di lì a capire quali effetti potrebbero avere sulla terra, il cammino è ancora lunghissimo, anche se negli ultimi vent’anni abbiamo fatto importanti passi avanti. Una Cme libera un’energia pari a 10 milioni di bombe Zar, la più potente bomba a idrogeno mai testata, un ordigno da 50 megatoni. Se questa energia fosse abbastanza collimata, in direzione del nostro pianeta, il fascio di particelle risultante potrebbe comportare conseguenze rilevanti. Comprimendo il campo magnetico terrestre, genererebbe un campo elettrico nell’atmosfera in grado di mandare in tilt le centrali elettriche». Poter prevedere con un ragionevole anticipo fenomeni così estremi permetterebbe almeno di provare a correre ai ripari. Ma non è tutto qui. I capricci dell’attività solare pongono un rischio che non siamo in grado di valutare per un'eventuale missione su Marte con un equipaggio umano a bordo. «Allo stato attuale, una missione verso Marte comporta 8-9 mesi di viaggio nello spazio interplanetario. Se una di queste tempeste solari avvenisse durante quel periodo, l’equipag-

gio, senza la protezione del campo magnetico terrestre e dell’atmosfera, sarebbe probabilmente destinato a una morte atroce per sindrome acuta da radiazioni». Infine, c’è un altro aspetto, che potrebbe darci qualche dritta per rivoluzionare la nostra produzione energetica. «Quella che indaghiamo sul Sole è una fisica di frontiera anche tra discipline diverse della fisica. Gli studi sul confinamento del plasma della corona solare da parte del campo magnetico hanno richiamato l’attenzione di chi, a terra, sta provando a imbrigliare la fusione nucleare per la produzione di energia». E la conoscenza dei meccanismi con cui il campo magnetico interagisce con la corona potrebbe darci qualche buona dritta per riuscire finalmente a “imbottigliare” i processi di fusione in un reattore per la produzione di energia.

Le stelle della Via Lattea. Mappa realizzata dal satellite Gaia. Crediti: Esa/Gaia/ Dpac.

Per il futuro una delle priorità, per Velli, è l’esplorazione della dinamica solare in tre, anzi quattro dimensioni. Perché finora il Sole ci ha lasciato sfiorare soltanto la superficie, un po’ come è accaduto con gli oceani fino a pochi decenni or sono. E invece avremmo bisogno di studiarne i fenomeni anche in profondità. E non solo. Dovremmo disporre di strumenti capaci di seguire il corso degli eventi almeno per uno o due cicli solari, ognuno dei quali dura 22 anni. Solo così potremo sperare di svelare i meccanismi della dinamo solare, il processo fisico che genera il campo magnetico della nostra stella. E, un po’ come Prometeo rubò il fuoco agli dèi, fare tesoro della sua benevolenza per il nostro benessere e per la salute del pianeta. Perché in fondo, al Sole, dobbiamo già tutto. SPAZIO 2050 | 7

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Vedi alla Voce ‘Sole’ di Valeria Guarneri

Guida pratica alla struttura e ai ‘segni particolari’ della nostra stella 8 | SPAZIO 2050

È caratterizzato da una configurazione a strati e da una vasta gamma di fenomeni ‘esotici’ e impetuosi che influenzano lo spazio anche a miliardi di chilometri di distanza; inoltre, la sua attività ‘effervescente’, in parte ancora da approfondire, è costante oggetto di studio. Stiamo parlando del Sole, la stella-madre del nostro sistema planetario, protagonista di missioni esplorative - come Solar Orbiter dell’Esa e Parker della Nasa - che stanno fornendo dati preziosi per tracciarne un identikit sempre più preciso. Il materiale di cui è costituito l’astro e i suoi campi magnetici sono in costante movimento e danno luogo ad una serie di strutture e di fenomeni fisici il cui tempo-scala caratteristico di evoluzione può variare da alcuni secondi fino ad alcuni anni o, addirittura, centinaia di migliaia di anni se pensiamo ai fenomeni che determinano la variazione di attività solare sul lungo termine. La varietà di queste caratteristiche e dei fenomeni ad esse connessi, nonché le peculiarità dei singoli strati del Sole, sia interni che nella sua atmosfera, sono tali da meritare una guida, una sorta di ‘enciclopedia solare’. Cominciamo dagli strati più interni, partendo dal nucleo (core). Vero e proprio motore pulsante, il ‘cuore’ del Sole è 10 volte più denso del piombo e la sua temperatura supera i 16 milioni di gradi; qui, la pressione degli strati limitrofi è talmente alta che gli atomi di idrogeno vengono ‘strizzati’ nell’elio, rilasciando nel corso di questo processo luce ed energia. Questa reazione, nota come fusione nucleare, ha dato la ‘carica’ al Sole per oltre 4 miliardi di anni. Successivamente, incontriamo la zona radiativa (radiative zone). Si tratta di un’area la cui densità è variabile e che deve il suo nome al processo con cui l’energia è prodotta dalle reazioni di fusione nucleare. In questa zona dell’interno stellare l’energia prodotta nel nucleo viene trasferita verso gli strati più esterni attraverso la radiazione. Strato più esterno della struttura interna del Sole, la zona convettiva (convection zone) costituisce circa i 2/3 del volume della nostra stella ed è molto meno densa rispetto alla zona immediatamente più interna, quella radiativa. Qui il principale meccanismo di trasporto dell’energia è attraverso la convezione. Il materiale caldo di questa zona sale verso la superficie del Sole, portando calore con sé; non appena esso si raffredda, emettendo luce, affonda verso il basso dove raccoglie altro calore. I movimenti convettivi sono visibili sulla superficie del Sole sotto forma di ‘bolle’ di plasma dette granuli e super-granuli. È il primo strato dell’atmosfera solare, spessa oltre 400 chilometri e con temperature medie di oltre 5mila °C: stiamo parlando della fotosfera (fhotosphere), che emette una lucentezza bianca, visibile ad occhio nudo. Al nostro sguardo, però, tale luce appare gialla a causa dell’azione dispersiva delle particelle dell’atmosfera terrestre. Subito dopo incontriamo la cromosfera (chromosphere), che deve il suo nome al brillante colore rosso; la

Elaborazione artistica del Sole che emette una Cme - espulsione di massa coronale (Crediti: Nasa).

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sua temperatura può superare decine di migliaia di gradi °C ed è spessa oltre 1600 chilometri. È uno strato difficile da studiare a causa delle mutevoli caratteristiche fisiche: nella bassa cromosfera, infatti, i fenomeni fisici sono dominati dal plasma, mentre in quella alta sono dominati dai campi magnetici. La successiva zona di transizione (transition region) è l’area in cui le temperature si innalzano (misteriosamente) fino a migliaia di milioni di gradi nel giro di poche decine di chilometri.

Arriviamo quindi all’atmosfera superiore del Sole, la corona (corona): quest’area in cui il moto del plasma è governato dai campi magnetici che emergono sulla superficie della stella permeando l’intera atmosfera, ed è caratterizzata da temperature che possono raggiungere milioni di gradi. Dalla corona ha origine l’accelerazione del vento solare, così come i brillamenti e le espulsioni di massa coronale, vale a dire le violente eruzioni da cui dipendono i fenomeni di space weather più intensi. SPAZIO 2050 | 9

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Dopo aver esplorato sia gli strati interni che l’atmosfera solare, passiamo ai ‘segni particolari’ del Sole. Alcuni di essi si comportano in maniera segnatamente turbolenta e fanno sentire la loro influenza anche sulla Terra. Una delle manifestazioni più conosciute è il vento solare (solar wind): si tratta di ‘raffiche’ di materiale che scorrono costantemente dalla nostra stella verso ogni direzione. Tale flusso, meno denso rispetto al vento terrestre ma molto più veloce, è costituito da particelle cariche (elettroni e atomi ionizzati) che interagiscono sia tra loro, sia con il campo magnetico solare. La vasta area in cui il vento solare si diffonde crea l’eliosfera (heliosphere), la regione in cui il Sole esercita la sua influenza entro lo spazio interstellare. Questa sorta di bolla ‘abbraccia’ tutti i pianeti del Sistema Solare e si comporta come uno scudo protettivo, bloccando molti raggi cosmici ad alta energia provenienti da altre parti della nostra galassia. Altro fenomeno ben noto è l’espulsione di massa coronale (Cme, Coronal Mass Ejection), una vasta nube magnetica di plasma che viene rilasciata nello spazio dopo un’eruzione solare. Le Cme, ampie anche milioni di chilometri, si espandono nello spazio e possono entrare in collisione e interagire con i campi magnetici dei pianeti; nel caso della Terra, sono all’origine di disturbi geomagnetici che danno il via alle aurore polari, ma producono anche problemi tecnici ai satelliti e alle infrastrutture elettriche presenti sul nostro pianeta. Piuttosto vivaci anche le protuberanze (prominence): si tratta di strutture serpentiformi costituite da materiale solare denso e freddo, sospeso sulla superficie del Sole da un intenso campo magnetico. Le protuberanze possono manifestarsi quando la struttura magnetica diventa instabile e scagliano il plasma in verso l’esterno tramite le Cme sopra menzionate. Vengono tenute sotto controllo dagli esperti perché potrebbero essere foriere di fenomeni di space weather: sono le eruzioni di filamenti (filament eruption). Si tratta di strisce di materiale solare, più fresco e denso rispetto a ciò che le circonda, che quando diventano instabili possono ricadere sul Sole o disperdersi nello spazio, producendo anch’esse un’espulsione di massa coronale. Tra le manifestazioni turbolente figura anche il brillamento solare (solar flare), un’energica esplosione di 10 | SPAZIO 2050

Osservazioni quasi simultanee della corona effettuate dallo strumento Eui/ Fsi (in giallo) e dal coronografo italiano Metis (bianco e nero) mostrano una struttura estremamente filamentare della corona solare. Crediti: Esa e Nasa/Solar Orbiter/Eui Team/ Metis Team.

luce e particelle che viene innescata dall’improvviso rilascio di energia magnetica sul Sole. I brillamenti sono di gran lunga le esplosioni più potenti nel Sistema Solare e le loro particelle, che viaggiano ad una velocità molto vicina a quella della luce, possono raggiungere la Terra in meno di 20 minuti. Possono durare da pochi giorni a mesi, la loro ampiezza può superare 160mila chilometri e sono connesse all’andamento dei cicli solari: stiamo parlando delle macchie solari (sunspots), regioni più fredde che appaiono sulla superficie visibile della nostra stella e sono dovute alla concentrazione di linee del campo

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Elaborazione artistica del vento solare (Crediti: Nasa Goddard's Conceptual Image Lab/Greg Shirah)

Veduta d’insieme del Sole realizzata da Solar Orbiter dell’Esa (Crediti: Esa e Nasa/Solar Orbiter/Eui Team - Processamento dati: E. Kraaikamp)

magnetico che emergono per galleggiamento dagli strati più interni della stella e rappresentano l’effetto più visibile del magnetismo su grande scala del Sole, alimentato da una gigantesca dinamo al suo interno. Gli scienziati utilizzano le macchie per seguire l’evoluzione dei cicli solari. Si presenta, nell’atmosfera del Sole, come una chiazza

dotata di un livello inferiore di densità: si tratta del buco coronale (coronal hole), una regione in cui le linee del campo magnetico solare sono direttamente connesse allo spazio interplanetario. Da quest’area il materiale si disperde in un flusso di vento solare che spira ad alta velocità, lasciando appunto un buco scuro vicino alla superficie del Sole. La pioggia coronale (coronal rain), invece, è costituita da globi giganti di plasma che colano dall’atmosfera esterna del Sole fino alla sua superficie. Il fenomeno si verifica in particolari condizioni: ad esempio, quando le configurazioni del campo magnetico ed eventi locali di riscaldamento nella corona rendono i globi di plasma più freddi e densi rispetto all’ambiente circostante, provocandone la ‘pioggia’. I tubi di flusso (flux rope), invece, è il nome tecnico con il quale i fisici solari si riferiscono a tutte le concentrazioni di campo magnetico che emergono sulla superficie solare e che determinano di fatto il magnetismo dell’atmosfera solare nella sua globalità e il suo comportamento su piccola e grande scala. Le strutture magnetiche che emergono a causa di processi di dinamo nell’interno stellare possono avere dimensioni che vanno da poche decine di chilometri, al limite del potere risolutivo dei moderni telescopi, fino a decine di migliaia di chilometri, come nel caso delle macchie solari, che rappresentano la manifestazione più evidente e storicamente più conosciuta del magnetismo solare. SPAZIO 2050 | 11

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I nanogetti (nanojets) sono ‘viticci’ sottili e brillanti di plasma che si originano da fenomeni di rilascio impulsivo nell'energia che i campi magnetici accumulano come degli elastici che vengono attorcigliati su sé stessi dai moti del plasma fotosferico. Si estendono per migliaia di chilometri e sono generati dai nanobrillamenti (nanoflares), leggere esplosioni prodotte da un fenomeno chiamato riconnessione magnetica, che si verifica quando le linee del campo magnetico sono ‘annodate’. Ricorda l’andamento dell’acqua che viene diffusa da un irrigatore rotante: si tratta di una struttura definita spirale di Parker (parker spiral), che viene prodotta dal campo magnetico solare quando il Sole ruota e il vento solare magnetizzato soffia verso l’esterno. Si presentano come strisce di materiale che si protendono dai buchi coronali sulla superficie del Sole: sono i pennacchi solari (plumes), che appaiono scintillanti nelle immagini all’estremo ultravioletto e sono costituiti da striscioline più piccole (plumelets). I pennacchi giocano un ruolo di rilievo nel creare il vento solare ad alta velocità. Il loro nome in codice è Seps (solar energetic particles), ovvero particelle energetiche solari: sono particelle altamente cariche - soprattutto elettroni e protoni - e accelerate dall’attività che avviene sul Sole. L’accelerazione può avvenire in connessione con i brillamenti oppure nello spazio. Le Seps, il cui moto è guidato dai campi magnetici, costituiscono una pericolosa fonte di radiazioni per gli astronauti e si fanno sentire anche nell’atmosfera della Terra dove possono ostacolare le comunicazioni radio ad alta frequenza come il Gps. Anche il Sole ha un’attività ‘sismica’: i terremoti solari (sunquakes) sono fenomeni che producono sulla superficie della nostra stella increspature simili a quelle dei sismi terrestri. Questo fenomeno, di cui ancora non si conosce con esattezza la causa scatenante, accompagna alcuni brillamenti solari. Emissioni di plasma che si presentano come ciuffi di erba: sono le spicole (spicules), getti di plasma che partono dalla superficie solare a decine di chilometri al secondo e che, prima di collassare, possono estendersi per oltre 9mila chilometri trasferendo energia e materiale negli strati più esterni dell’atmosfera. Il nostro viaggio alla scoperta dei tratti caratteristici del Sole si conclude con i granuli (granules) e supergranuli (supergranules): si tratta di reti di celle che 12 | SPAZIO 2050

Brillamento solare osservato dalla missione Sdo della Nasa (Crediti: Nasa/Sdo/ Goddard)

Eruzione di filamenti osservata dalla missione Sdo della Nasa (Crediti: Nasa/ Solar Dynamics Observatory)

coprono la superficie visibile. Esse hanno dimensioni dell’ordine del migliaio di km (granuli) o per oltre 25mila chilometri (supergranuli) e sono prodotte dai moti convettivi del materiale solare. I loro tempi di vista vanno rispettivamente dagli 8-10 minuti (granuli) fino ad alcune ore o giorni (supergranuli). Parker e Solar Orbiter, attive rispettivamente dal 2018 e dal 2020, sono al lavoro per svelare nuovi dettagli sul Sole e realizzarne ‘ritratti’ inediti. A maggio 2022 Solar Orbiter ha rilasciato le immagini più ravvicinate del Sole mai ottenute prima d’ora e con un dettaglio senza precedenti: questo risultato di successo è stato conseguito anche grazie al coronografo Metis, finanziato e gestito dall’Agenzia Spaziale Italiana. Lo strumento è stato ideato, progettato e realizzato da un team composto dall’Istituto Nazionale di Astrofisica, dalle Università di Firenze e di Padova, dal Cnr-Ifn e da un consorzio industriale italiano formato da Ohb Italia e Thales Alenia Space Italia.

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ViVere sotto un’altra stella di Amedeo Balbi

Lo scorso marzo, il numero di pianeti scoperti attorno ad altre stelle, detti pianeti extrasolari o esopianeti, ha superato quota 5000. Naturalmente non c’è nulla di speciale in questa cifra, ma si tratta di un traguardo degno di nota, soprattutto se si pensa che appena trent’anni fa gli unici mondi che conoscevamo erano i pochi che fanno compagnia alla Terra nella sua orbita attorno al Sole. A partire dal 1995, anno della scoperta del primo pianeta attorno a una stella come la nostra, il bottino è cresciuto a un ritmo impressionante. Se proiettiamo il dato statistico alle centinaia di miliardi di stelle che compongono la nostra galassia, la Via Lattea, giungiamo alla conclusione che praticamente ciascuna di esse ospita un sistema planetario. Tra le migliaia di esopianeti noti, ce ne sono parecchi che non hanno un analogo nel Sistema Solare: ad esempio le cosiddette ‘super Terre’, che hanno una taglia intermedia tra il nostro pianeta e Nettuno, oppure i ‘Giove caldi’, grandi, gassosi e molto vicini alla loro stella. Ma queste non sono le uniche differenze con il nostro sistema planetario. Esistono SPAZIO 2050 | 13

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pianeti che orbitano attorno a oggetti estremi come le stelle di neutroni, e persino attorno a stelle doppie, come fa il pianeta Tatooine nella saga di Star Wars. C’è poi il fatto che la Terra orbita attorno a un tipo di stella non particolarmente comune. Stelle più piccole e meno luminose del Sole, note come nane rosse o, tecnicamente, di tipo M, sono di gran lunga più numerose. Queste stelle sono in assoluto le più abbondanti nella nostra galassia, e sono circa cinque volte più frequenti delle stelle simili al Sole. Non solo: esse sono anche assai più longeve della nostra, con una vita media decine di volte superiore. Insomma, i pianeti più comuni nell’universo sono probabilmente quelli che hanno un sole rossiccio nei loro cieli. I pianeti attorno alle nane rosse sono anche relativamente più facili da scoprire. Le tecniche di osservazione tendono infatti a essere più efficaci se la stella ospite è piccola e debole, soprattutto quando si va a caccia di pianeti di taglia terrestre nella cosiddetta ‘zona abitabile’. Questa zona è semplicemente la regione di un sistema planetario in cui è favorita la pre14 | SPAZIO 2050

Rappresentazione artistica del sistema planetario della stella Trappist-1 Credit: Nasa-Jpl/ Caltech.

Una rappresentazione artistica della superficie di un pianeta del sistema stellare di Trappist-1.

senza stabile di acqua liquida, uno dei requisiti ritenuti indispensabili per la vita come la conosciamo. In effetti, la maggior parte degli esopianeti potenzialmente abitabili scoperti nei passati decenni si trova in orbita proprio attorno a stelle di tipo M. È il caso, ad esempio, dei pianeti rocciosi che orbitano attorno alla stella Trappist-1, una nana rossa a circa quaranta anni luce dal Sole: tre dei sette pianeti scoperti nel 2017 in quel sistema cadono nella zona abitabile. Anche il più vicino pianeta extrasolare potenzialmente abitabile orbita attorno a una stella di tipo M, Proxima Centauri. Più in generale, ben 18 dei 20 esopianeti di tipo terrestre nella zona abitabile conosciuti fino a oggi orbitano una nana rossa. Insomma, si potrebbe essere tentati di ritenere il nostro sistema planetario un’anomalia statistica. Tuttavia, quando si considera il problema con maggiore attenzione si vede che le cose non sono semplici come potrebbero sembrare. Siamo proprio sicuri che la vita sia possibile attorno a una stella di tipo M? Negli anni passati, molti studi teorici hanno provato a dare una risposta a questo interrogativo.

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le future osservazioni e gli studi teorici ci aiuteranno a fare chiarezza, e a capire se il nostro sistema planetario sia la norma o l’eccezione.

Il primo fattore da considerare è la distanza dalla stella. Poiché le nane rosse sono poco luminose, la zona potenzialmente abitabile cade molto vicina all’astro, tipicamente a una distanza inferiore a quella di Mercurio dal Sole. Questa, purtroppo, non è una buona notizia. Le stelle di tipo M, infatti, sono molto più turbolente della nostra ed emettono frequenti vampate di energia: radiazione ultravioletta, raggi X e particelle cariche, che possono essere estremamente dannose per gli organismi viventi. Inoltre, a lungo andare, questi episodi violenti possono privare un pianeta troppo vicino alla stella di una parte sostanziale della sua atmosfera, rendendolo ancora più ostile alla vita. Trovarsi a breve distanza da una nana rossa ha un’altra conseguenza: l’interazione gravitazionale con la stella porta il pianeta a sincronizzare il proprio periodo orbitale con quello di rotazione. In parole povere, il pianeta finisce per mostrare sempre lo stesso lato alla stella, come fa la Luna con la Terra. Un emisfero è dunque perennemente illuminato, mentre l’altro resta sempre al buio. Non solo la mancanza di alternan-

za tra notte e giorno potrebbe essere incompatibile con la vita, ma il nucleo metallico del pianeta potrebbe non essere sufficientemente mobile da produrre un campo magnetico intenso. Ciò renderebbe la superficie del pianeta e la sua atmosfera ancora più esposte alle radiazioni cosmiche dannose.

Poster promozionale Nasa in cui l’agenzia immagina un viaggio sul pianeta Trappist1e, il migliore candidato a ospitare la vita del sistema della stella Trappist-1. Crediti Nasa/Jpl

Se a tutto questo aggiungiamo che la scarsa intensità luminosa potrebbe inibire la fotosintesi e la formazione di molecole di rilevanza biologica, sembrerebbe che le nane rosse siano complessivamente meno adatte a ospitare pianeti abitabili rispetto alle stelle simili al Sole. Questo potrebbe spiegare come mai non ci troviamo in orbita attorno al tipo di stella più comune nella galassia. Il verdetto, però, non è ancora conclusivo. Abbiamo appena iniziato a investigare i complicati fattori che rendono un pianeta abitabile: tra questi, le caratteristiche della propria stella giocano certamente un ruolo non trascurabile, anche se non ancora del tutto compreso. Le future osservazioni e gli studi teorici ci aiuteranno a fare chiarezza, e a capire se il nostro sistema planetario sia la norma o l’eccezione. SPAZIO 2050 | 15

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Open InnOvatIOn: al via l’edizione 2022 del #T-TeC Telespazio di Marco Brancati SVP Innovation and Technological Governance di Telespazio

«Ogni tecnologia sufficientemente avanzata è indistinguibile dalla magia». Sono parole di Arthur C. Clarke, famoso ai più come scrittore e sceneggiatore di 2001: Odissea nello Spazio e padre delle telecomunicazioni satellitari. Nel 1945, quando l’articolo di Clarke fu pubblicato sulla rivista Wireless World, l’idea che satelliti posti in orbita geostazionaria potessero mettere in comunicazione ogni punto della Terra sembrava pura fantascienza. Quasi ottant’anni dopo quell’intuizione ha cambiato completamente il modo in cui viviamo. Le innovazioni hanno questo potere. Accelerano la realtà, la plasmano, fino a raggiungere traguardi inaspettati. Tutto questo è particolarmente vero per il settore spaziale, passato da un isolamento tipico della sua fase pionieristica a un dialogo, per non dire compenetrazione, costante con il mondo del digitale e con le tantissime nicchie specialistiche che lo compongono. Non importa quanto un’azienda sia grande e quanto lunga sia la sua esperienza sul campo. Oggi nessuna azienda, nel settore spaziale e non, può illu16 | SPAZIO 2050

dersi di avere al suo interno tutte le competenze necessarie per restare al passo con un mondo in continua evoluzione. Da tempo Telespazio ha fatto proprio il concetto di Open Innovation, partendo dalla convinzione che il dialogo con start-up, centri di ricerca e università, sia un tassello fondamentale del successo di una grande azienda. Dal 2019, partendo da questa convinzione, Telespazio e Leonardo hanno dato vita al #T-TeC, il

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formation Applications and Platforms for a sustainable Earth, Space Domain Awareness for the Protection of Space and Ground Infrastructures; Secure and Resilient Communications with future technologies; Positioning, Navigation and Timing Infrastructures and Solutions for Earth and other celestial bodies. Sono tematiche importanti, che negli anni e decenni a venire influenzeranno sempre più la nostra vita quotidiana. Come nelle edizioni precedenti, ai primi tre classificati andranno degli assegni di importi differenti in dipendenza del risultato raggiunto. La giuria, che sarà composta anche da rappresentanti dell’Agenzia Spaziale Italiana ed Europea, selezionerà inoltre delle menzioni speciali e valuterà la possibilità di collaborare con contratti di ricerca o con partnership riguardanti le idee più promettenti. In particolare, da quest’anno Telespazio ha deciso di trasformarsi in un vero e proprio incubatore di start-up. Il team vincitore, se lo vorrà, potrà infatti accedere ad un percorso di accelerazione delle fasi successive del progetto premiato. Dare valore alle idee è l’obiettivo che ogni grande azienda deve porsi. I contest come il #T-TeC sono occasioni preziose per creare connessioni con realtà innovative, scambiare punti di vista e, a volte, scoprire talenti. Negli ultimi tre anni Telespazio ha dato il benvenuto a due partecipanti delle passate edizioni del T-TeC, che oggi lavorano ad alcuni dei progetti più innovativi portati avanti dall’azienda, come lo studio per la realizzazione di un sistema di comunicazione e positioning per la Luna. Inoltre, alcune collaborazioni con importanti istituti universitari sono state facilitate proprio dalla partecipazione di loro team al #T-TeC.

Telespazio Technology Contest, dedicato a studenti e ricercatori, con l’obiettivo di promuovere l’innovazione tecnologica nel settore spaziale tra le giovani generazioni, valorizzarne idee e intuizioni, e immaginare insieme le tecnologie che segneranno il nostro futuro. Per l’edizione 2022 del #T-TeC i team in gara si confronteranno su sei macrotemi tecnologici di rilevante importanza per il presente e il futuro del settore spaziale: Space and Extraterrestrial Exploration; In Orbit Servicing towards a Circular Economy in Space; GeoIn-

Sala controllo LEOP al Centro spaziale del Fucino.

Anche quest’anno il #T-TeC può vantare prestigiosi patrocini: a quelli oramai ‘storici’ dell’Agenzia Spaziale Italiana e dell’Agenzia Spaziale Europea, per l’edizione 2022 si sono aggiunti quello dell’Associazione Italiana di Aeronautica e Astronautica (Aidaa) e quelli internazionali dello Space Generation Advisory Council in Support of the UN Programme on Space Applications (Sgac) e del Council of European Aerospace Societies - (Ceas). Tali patrocini, oltre a dare ulteriore lustro all’iniziativa, permetteranno anche di penetrare ancor di più il mondo accademico e della ricerca nazionale e internazionale: nelle tre edizioni passate sono giunte 57 proposte innovative da circa 200 partecipanti tra studenti, dottorandi e ricercatori provenienti da 30 università di tutto il mondo. Sempre Clarke sosteneva che l'unico modo di scoprire i limiti del possibile fosse di oltrepassarli e finire nell'impossibile. E in fondo il #T-TeC, e più in generale l’Open Innovation, assolvono proprio a questo difficilissimo compito: darsi limiti soltanto per poterli superare. SPAZIO 2050 | 17

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L’ITALIA SOLARE Tutte le missioni dedicate allo studio della nostra stella a cui l’Italia contribuisce fornendo strumentazione o supporto scientiﬁco missioni presenti missioni future

SOHO 1995

PARKER SOLAR PROBE 2018 Missione Nasa. In assoluto la sonda più vicina di sempre al Sole per lo studio della corona solare. L’Italia fornisce supporto allo sfruttamento dei dati scientiﬁci.

Missione congiunta Esa-Nasa per lo studio del Sole, in particolare della temperatura della corona. Italiano è lo spettrometro nel canale visibile del coronografo ultravioletto Uvcs.

SOLAR ORBITER 2020 Missione Esa dedicata allo studio dell’eliosfera interna, del vento solare e delle regioni polari. L’Italia contribuisce con il coronografo Metis, la Dpu dello strumento Swa per l’analisi dati del vento solare e il software di ricostruzione delle immagini dello strumento Stix.

A cura di Manuela Proietti

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CSES-1 2018 Collaborazione italo-cinese per lo studio dei precursori sismici e dei fenomeni elettromagnetici legati allo space weather. Il contributo italiano, denominato Limadou, consiste nel rivelatore di particelle Hepd-01 e nella partecipazione alla realizzazione dello strumento cinese E-01.

MUSE 2027 Missione Nasa dedicata allo studio delle dinamiche solari, della connessione Sole-Terra e dell’ambiente spaziale. Sono affidati all’Italia la realizzazione degli specchi del telescopio e dei filtri multi-layer, il supporto al coating e il supporto scientifico.

PROBA 3 2023 Dimostratore tecnologico dell’Esa per il volo in formazione di satelliti ad alta precisione. L’Italia è responsabile del sistema di posizionamento e fornisce supporto scientiﬁco.

SOLAR-C EUVST

CSES-2

2027

2023

Missione a guida giapponese per svelare i meccanismi di formazione del plasma caldo e gli effetti dell’attività solare sulla Terra e sul sistema solare. L’Italia realizza il sistema di fenditure dello spettroscopio e fornisce supporto scientiﬁco.

Nella seconda missione della collaborazione italo-cinese, il contributo italiano cresce: tramite l’Asi l’Italia fornisce il rivelatore di particelle Hepd-02 e il rivelatore di campo elettrico Efd-02.

Infograﬁca Infolab

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Sfiorando il Sole con Solar Orbiter di Giulia Bonelli

La missione Esa-Nasa di esplorazione della nostra stella e il ruolo dell’Italia in questo affascinante viaggio alla scoperta del Sole

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Fin dalla preistoria, il Sole è al tempo stesso venerato e temuto. In molte culture antiche la nostra stella è la divinità più importante, e gli egizi consideravano il faraone figlio del Sole. Mentre nel mito greco di Icaro il giovane figlio di Dedalo ignora gli avvertimenti del padre e si avvicina troppo all’astro bollente: le sue ali tenute insieme dalla cera si sciolgono, facendolo precipitare. Fascino e timore accompagnano anche la lunga ricerca scientifica legata al Sole, oggi oggetto di diverse missioni spaziali internazionali. È qui, in questo ambiente cosmico estremo, che si aggira Solar Orbiter, la sonda Esa-Nasa arrivata, astronomicamente parlando, a due passi dal Sole. Partita nel febbraio 2020 da Cape Canaveral a bordo di un vettore Atlas V, Solar Orbiter ha impiegato due anni per effettuare il suo primo incontro ravvicinato con il Sole. Durante il viaggio verso la nostra stella ha realizzato immagini spettacolari, come la tripletta Venere - Terra - Marte immortalati in una panoramica senza precedenti. Per poi giungere fino alla nostra stella, e iniziare a studiarla con i suoi dieci strumenti scientifici. «Solar Orbiter - spiega Barbara Negri, Responsabile dell’Unità Volo umano e sperimentazione scientifica dell’Asi - può essere considerata una missione di breakthrough scientifico, ovvero di svolta: sta esplorando la corona del Sole, e osserverà la nostra stella da una distanza mai raggiunta prima da altre sonde. Si tratta di un ambiente altamente proibitivo, con temperature fino a 500° C, mentre nella parte in ombra si arriva a -200° C. Per questo, Thales Alenia Space ha realizzato a Torino uno scudo termico davvero innovativo per proteggere i dieci strumenti scientifici di Solar Orbiter: sei strumenti di telerilevamento, per osservare nel loro insieme i fenomeni solari, e quattro strumenti in situ, che invece fanno analisi puntuali dell’ambiente della corona» C’è anche molta altra Italia a bordo di Solar Orbiter. Italiano è lo strumento Metis dell’Asi, un coronografo realizzato con la collaborazione di Inaf, del Cnr e delle Università di Firenze e di Padova, e con il contributo del Max Planck Institute for Solar System Research (Germania), e dello Astronomical Institute of the Science Academy (Repubblica Ceca).

Rappresentazione artistica della sonda Solar Orbiter. Crediti: Esa/Atg medialab.

«Metis è il primo strumento del suo genere a poter osservare il Sole e la corona solare più estesa simultaneamente in diverse bande dello spettro elettromagnetico, nel visibile e nell’ultravioletto, consentendo di ottenere una serie di analisi altamente innovative. Ad esempio, stiamo mappando per la prima volta la velocità di espansione del plasma nell’intera corona, ottenendo immagini ad altissima risoluzione», racconta Marco Stangalini, ricercatore Asi e project scientist dello strumento Metis. Queste immagini mostrano il Sole come non l’avevamo mai visto. A fine marzo 2022 Solar Orbiter ha SPAZIO 2050 | 21

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effettuato il suo primo passaggio ravvicinato, spingendosi a meno di 50 milioni di chilometri dalla nostra stella. Circa due mesi dopo, l’Esa ha diffuso i primi scatti: una serie di ritratti davvero mozzafiato del Sole ma, cosa ancor più importante, una miniera d’oro di dati scientifici, molti dei quali raccolti proprio da Metis. Che ha permesso di addentrarsi in fenomeni estremi, come le violente espulsioni di massa coronale. Una di queste eruzioni è stata immortalata durante l’ultimo sorvolo del Sole: Solar Orbiter ha catturato il ‘viaggio’ di un’eruzione solare, a partire dagli strati superficiali dell’atmosfera fino ad arrivare alla sua esplosione nello spazio. «Metis - continua Stangalini - osserva la corona più estesa del Sole. Ma ovviamente ciò che osserviamo nella corona è il risultato dell’energia che proviene dagli strati più interni dell’atmosfera solare. Questi strati vengono osservati da altri strumenti a bordo di Solar Orbiter, tra cui Stix, uno spettrometro-telescopio a raggi X a cui l’Italia ha fornito il software per la ricostruzione delle immagini. Quindi, combinando tutte queste informazioni ottenute dai vari strumenti, possiamo studiare meglio i processi fisici che avvengono nell’atmosfera solare. Riusciamo a seguire l’energia solare, responsabile delle espulsioni di massa coronale che possono avere un effetto anche nello spazio interplanetario». «Questi fenomeni della corona solare - aggiunge Barbara Negri - sono in grado di danneggiare satelliti in orbita intorno alla Terra e anche di mettere a rischio diverse attività sul nostro pianeta. Per questo osservare da vicino i meccanismi che determinano le espulsioni di massa coronale e altri fenomeni simili è un’opportunità unica, che ci permetterà di raccogliere nuovi indizi sullo space weather e di studiare opportune contromisure». In questi mesi, la comunità scientifica sta lavorando incessantemente ai dati raccolti da Solar Orbiter. Ma molti, preziosi dati devono ancora arrivare: si tratta di quelli ottenuti dagli strumenti in situ, che raccolgono direttamente le particelle provenienti dal Sole. Tra questi c’è lo strumento Swa, acronimo di Solar Wind Analyzer, che vede un importante contributo italiano. «Swa è una suite di strumenti che permette di misurare le particelle del vento solare. È composto da uno strumento che misura gli elettroni, uno strumento che misura i protoni e le particelle alpha e uno strumento che misura gli ioni pesanti. Infine c’è la Data Processing Unit (Dpu), che è il cuore dello strumento e che ha leadership italiana. Grazie a Swa è possibile calcolare in situ le caratteristiche del plasma solare quali densità, velocità e temperatura, caratterizzando così l’ambiente in cui la sonda è immersa. Un vero e proprio esperimento di laboratorio cosmico», racconta Denise Perrone, ricercatrice Asi e project scientist dello strumento Swa. 22 | SPAZIO 2050

Metis svela l'origine delle oscillazioni nel vento solare A distanza di trent’anni dalla prima scoperta da parte della missione Nasa-Esa Ulysses di improvvise fluttuazioni nel campo magnetico nel vento solare, nel 2021 le misure effettuate dalla missione Nasa Parker Solar Probe avevano evidenziato un numero sorprendentemente alto di questi eventi. Ciò aveva portato alla formulazione di diverse ipotesi sulla loro origine. Tali fluttuazioni rappresentano delle vere e proprie inversioni del campo magnetico che, come sotto l’effetto di una frusta, si propagano nello spazio interplanetario. Oggi, a poco più di un anno dalle osservazioni di Parker, il coronografo italiano Metis a bordo di Solar Orbiter, ha per la prima volta osservato direttamente una di queste oscillazioni, dette switchback, nella corona solare. Il risultato è stato ottenuto grazie ai dati acquisiti subito dopo l’inizio della fase nominale della sonda Esa, nel marzo 2022. I dati di Metis, in fase di pubblicazione sulla rivista Astrophysical Journal Letters, mostrano la propagazione di una di queste perturbazioni del campo magnetico nella corona solare e hanno permesso finalmente di discriminare tra diversi possibili meccanismi di formazione tra quelli finora proposti, mettendo inoltre in relazione questo tipo di processi con l’accelerazione del vento solare.

Immagine composita del disco solare osservato in luce ultravioletta dallo strumento Eui a bordo di Solar Orbiter e della corona (blu) osservata simultaneamente da Metis. Da Telloni et al. 2022 (in press ApJL). Eruzione solare immortalata da Solar Orbiter il 2 marzo 2022. Crediti: Esa & Nasa/Solar Orbiter/Eui & Stix Teams.

Prima del lancio delle missioni solari degli ultimi anni, Parker Solar Probe e Solar Orbiter, l’ultima missione dedicata all’analisi in situ del vento solare nell’eliosfera interna risale al 1975: si tratta della coppia di sonde Helios lanciate dalla tedesca Dlr in collaborazione con la Nasa. «Ancora oggi - spiega Perrone - continuiamo a pubblicare con i dati raccolti da Helios, ma la risoluzione di questi dati non è confrontabile con quella che raggiungerà Solar Orbiter. Swa e gli altri strumenti in situ permetteranno di avere informazioni su quelli che chiamiamo effetti cinetici: fenomeni su scale piccolissime, ma che potrebbero avere un grande effetto sulle dinamiche solari complessive. Ad esempio, potrebbero aiutare a spiegare il problema del riscaldamento anomalo del vento solare. Essendo un gas in

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espansione, ci si aspetta che il vento solare si raffreddi andando verso lo spazio: ma dati precedenti dimostrano che tale raffreddamento non avviene alla velocità prevista. Questo significa che deve esserci una sorgente locale di energia che riscalda il plasma, e che potrebbe essere legata proprio agli effetti cinetici. Grazie a Solar Orbiter, speriamo di aggiungere nuove informazioni per trovare la risposta». Tante altre scoperte sono attese da questa rivoluzionaria missione a due passi dal Sole, che unisce scienza e tecnologia con un livello di innovazione senza precedenti per lo studio della nostra stella. Un altro grande enigma che grazie a Solar Orbiter potrebbe trovare risoluzione è quello della differenza di temperatura tra la corona e la superficie del Sole. Già i primi dati rac-

Prime immagini della corona solare ottenute dal coronografo Metis a bordo di Solar Orbiter il 15 maggio e il 21 giugno 2020. Crediti: Esa & Nasa/Solar Orbiter/Metis Team. Il Sole visto da Solar Orbiter al perielio. Immagine scattata il 26 marzo 2022. Crediti: Esa & Nasa/Solar Orbiter/Eui Team.

colti dalla sonda fanno pensare a un potenziale ruolo dei campfires, minuscole eruzioni onnipresenti sulla superficie solare. Potrebbero essere legati a un processo in grado di contribuire in modo significativo al riscaldamento della corona: dato che, se confermato da Solar Orbiter, spiegherebbe uno dei grandi misteri della fisica solare. Ancora, molte aspettative sono legate all’esplorazione dei poli solari: una regione ad oggi completamente inesplorata, e che Solar Orbiter sarà in grado di osservare nel momento in cui inclinerà la sua orbita. Ma prima, a partire dal prossimo ottobre, sono attesi ulteriori, spettacolari sorvoli del Sole. Che ci regaleranno nuovi dati e nuove immagini, in grado di emozionare anche chi studia la nostra stella da tutta la vita. SPAZIO 2050 | 23

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Il vIaggIo dI Parker di Luca Mingotti Landriani

Quale modo più diretto per studiare il Sole se non toccarlo? Non è una follia, contrariamente a quanto possano far credere le temperature elevatissime che si raggiungono nell’atmosfera solare, ma pura realtà. Il primato spetta alla Nasa e alla sua Parker Solar Probe, la prima sonda spaziale nella storia ad aver attraversato la corona del Sole, lo strato più esterno della sua atmosfera. La Parker Solar Probe è stata lanciata ormai quasi quattro anni fa, il 12 agosto 2018, dalla base di Cape Canaveral, in Florida, e concluderà il suo viaggio nel 2025. Nell’arco di quasi sette anni, la sonda orbiterà attorno al Sole per un totale di ventiquattro volte; il perielio di ogni orbita, il punto di massimo avvicinamento al Sole, verrà man mano ridotto sfruttando la gravità di Venere, in prossimità del quale il veicolo spaziale transiterà in tutto sette volte. La distanza minima dalla superficie solare che la Parker Solar Probe è prevista raggiungere si attesta sui 6.1 milioni di km – all’incirca dieci volte più inferiore della distanza media tra Mercurio e il Sole. Può sembrare una mission impossible, dal momento che la corona solare arriva a temperature attorno a un milione di gradi kelvin. Come possono le apparecchiature a bordo della sonda e il veicolo stesso resistere a un ambiente così ostile e, soprattutto, alla fusione? Il fatto è che la corona ha una densità di particelle estremamente bassa: la Parker Solar Probe, nell’attraversarla, si imbatte in un numero di particelle così esiguo che la quantità di calore che esse trasferiscono al veicolo è in grado di scaldarne la superficie ‘soltanto’ fino a una temperatura di 1104 K. Gran parte degli strumenti a bordo della sonda sono protetti da uno scudo termico dello spessore di circa 11.5 cm, che li mantiene all’incirca a temperatura ambiente; le ap24 | SPAZIO 2050

parecchiature all’esterno sono costruite con metalli il cui punto di fusione si colloca quasi mille kelvin più in alto. I dati raccolti dagli strumenti a bordo della Parker Solar Probe sono unici nel loro genere. Il Sole, infatti, è l’unica stella che possiamo studiare così da vicino e che ha un impatto così importante sul nostro pianeta. L’attività solare si declina in una quantità di fenomeni che interessano la Terra e lo spazio circostante, dando origine alle condizioni che costituiscono il cosiddetto space weather. Il ruolo principe è giocato dal vento solare, il flusso di particelle cariche prodotto dall’incessante espansione della corona del Sole. Il vento solare interagisce con la magnetosfera terrestre, lo

Immagine di un coronal streamer osservato sopra il lembo est del Sole l’8 novembre 2018 alle ore 6:12 Utc, catturata dallo strumento Wispr della Parker Solar Probe. L’oggetto luminoso vicino al centro dell’immagine è Mercurio. Foto Nasa/Nrl/ Parker Solar Probe.

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scudo magnetico che protegge la Terra dai pericoli dello spazio interplanetario, provocando talvolta alterazioni del campo magnetico terrestre che si riflettono nel malfunzionamento di reti elettriche, sistemi di comunicazione e satelliti. L’entità di questi fenomeni è sensibilmente accresciuta quando il Sole espelle un’intera porzione di materiale dalla corona – un fenomeno noto come coronal mass ejection. Associata a questa espulsione è l’accelerazione di particelle cariche ad alta energia, note come particelle energetiche solari, le quali rappresentano un serio pericolo per la sicurezza degli astronauti e il corretto funzionamento dei dispositivi in orbita. Oltre agli obiettivi puramente scientifici, lo scopo della Parker Solar Probe è quello di indagare l’ambiente dove questi eventi hanno origi-

Il lancio della Parker Solar Probe con un missile Delta IV Heavy dalla Cape Canaveral Air Force Station, in Florida (Usa), il 12 agosto 2018 alle ore 7:31 Utc. Foto Nasa/Bill Ingalls.

ne, in modo da approfondire la conoscenza di alcuni meccanismi che li riguardano non ancora del tutto chiariti. In questo modo, sarebbe possibile migliorare gli attuali sistemi di monitoraggio e di protezione dai corrispondenti eventi di space weather. Già pochi mesi dopo il lancio, la Parker Solar Probe ha sorvolato delle strutture, note come coronal streamers, dalle quali si crede che possano formarsi le coronal mass ejections. Nel 2019, la sonda ha scoperto l’esistenza di configurazioni a zig-zag del vento solare, note come switchbacks, in maniera diffusa nelle vicinanze della stella. Soltanto due anni più tardi è stata identificata la regione dove esse hanno origine, che si colloca in prossimità della superficie del Sole. Se si riuscisse a comprendere la relazione tra l’insorgere di queste strutture e la formazione della componente veloce del vento solare, si potrebbe finalmente risolvere un mistero che attanaglia gli scienziati da lungo tempo: in che modo la corona solare raggiunge temperature così tanto più elevate rispetto alla superficie del Sole. Lo scorso 2 giugno, la Parker Solar Probe ha transitato per il suo dodicesimo perielio. La missione si trova ormai al giro di boa, ma non per questo l’entusiasmo per le possibili scoperte in arrivo è in calo. In fondo, non è un caso che la sonda porti simbolicamente il nome di un pioniere della fisica del Sole – Eugene Parker, mancato il 15 marzo di quest’anno. Dopo i grandi passi compiuti dall’astronomo statunitense, al quale si deve la prima teoria in grado di spiegare la dinamica del vento solare, la missione della Nasa rappresenta un’opportunità unica per rivoluzionare il panorama della stella che garantisce la nostra stessa vita. SPAZIO 2050 | 25

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EugEnE nEwman ParkEr, il pioniere dell’eliofisica di Giuseppina Pulcrano

Professore emerito e grande rivoluzionario per le sue teorie sul Sole, lascia una missione che porta il suo nome e l’esempio di genio dell’immaginazione Eugene Newman Parker, una vita trascorsa tra teorie innovative e prove inconfutabili della sua visione sugli studi del Sole. Fisionomia dai tratti dolci e bonari, Gene, come veniva chiamato affettuosamente dal capo della direzione Nasa sull’eliosfera Nicky Fox, lascia un’eredità indelebile su come, nella vita in generale e nella professione di scienziato in particolare, si devono affrontare le scommesse: «Se fai qualcosa di nuovo o innovativo, aspettati guai. Ma pensaci in modo critico, perché se sbagli, vuoi essere il primo a saperlo.» Una sorta di testamento per giovani scienziati, lasciato nell’anno del lancio della missione Parker Solar Probe, a cui assiste all’età di quasi 91 anni, già malato e affiancato da tre generazioni della sua famiglia e dal team Nasa. Lucido, determinato e visionario le sue teorie innovative sono state oggetto di attacchi non sempre rispettosi da parte di esponenti della comunità internazionale. Parker si laurea in fisica presso la Michigan State University nel 1948 e consegue un dottorato in filosofia presso il Caltech nel 1951. Quattro anni all'Università dello Utah prima di entrare all'Università di Chicago nel 1955, dove trascorse il resto della sua carriera. Da quella cattedra prestigiosa, intorno alla metà degli anni '50, Parker sviluppò la teoria del vento solare supersonico e predisse la forma a spirale di Parker del campo magnetico solare nel Sistema Solare esterno. La sua modellazione teorica non fu subito accettata dalla comunità astronomica. Quando presentò i risultati all'Astrophysical Journal, due revisori ne raccomandarono il rifiuto. L'editore della rivista, Subrahmanyan Chandrasekhar, che non riusciva a trovare un difetto nella matematica di Parker, non tenne conto del parere dei revisori. Chandrasekhar, futuro premio Nobel, con coraggio decise di pubblicare comunque l'articolo. Le previsioni teoriche di Parker furono confermate dalle osservazioni satellitari alcuni anni

dopo, in particolare dalla missione Mariner 2, sonda spaziale della Nasa lanciata il 27 agosto 1962 verso Venere. Durante il tragitto la sonda misurò il vento solare, confermando le misurazioni effettuate dalla sonda Luna 1 nel 1959. Misurò anche la polvere interplanetaria, che si scoprì essere più scarsa del previsto, e rilevò particelle cariche ad alta energia provenienti dal Sole, inclusi alcuni brevi brillamenti solari, e anche dei raggi cosmici provenienti dall'esterno del Sistema Solare. Le sue teorie e i suoi modelli matematici parlavano di condizioni che producevano il flusso supersonico di particelle dalla superficie del Sole. «Vorrei suggerire a Parker di andare in biblioteca e leggere l'argomento prima di provare a scrivere un articolo al riguardo, perché questa è una sciocchezza» ricorda Parker in un’intervista per la UChicago News nel 2018, citando uno degli aspri commenti del mondo scientifico sulle sue avanzate teorie. Eletto alla National Academy of Sciences nel 1967 e membro della American Physical Society e Legacy Fellow della American Astronomical Society, nel corso della sua lunga carriera è stato autore di importanti pubblicazioni. Sulla genialità di Parker, la testimonianza di Nicky Fox direttore Nasa colpisce: «Ho conosciuto il padre dell'eliofisica. Le scoperte di Gene sono fondamentali per ciò che sappiamo sul tempo spaziale e sul comportamento delle stelle. Il suo livello di brillantezza è raro. Ha descritto la scoperta del vento solare come "semplice”. Era derivata da sole quattro linee di algebra». Gene si è spento il 15 marzo scorso dopo aver avuto la sua rivincita con la missione Nasa Parker Solar Probe, lanciata nel 2018 per osservazioni della corona esterna del Sole e che porta il suo nome. Si tratta del primo veicolo spaziale della Nasa intitolato a una persona vivente. SPAZIO 2050 | 27

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Cses-Limadou a caccia di terremoti dallo spazio di Manuela Proietti

C’è correlazione tra i terremoti e le tempeste geomagnetiche? Gli eventi sismici influenzano anche l’ambiente spaziale? E’ possibile monitorare un terremoto dallo spazio? Sono alcuni dei campi di indagine dei satelliti Cses (China Seismo-Electromagnetic Satellite) dell’Agenzia Spaziale Cinese, il cui scopo è di identificare precursori sismici di tipo elettromagnetico, ionosferico e magnetosferico e studiare possibili correlazioni spazio-temporali con l’avvento di terremoti di grande intensità. Diversi studi hanno infatti evidenziato la possibile esistenza di rapporti causa-effetto tra emissioni elettromagnetiche legate all'attività sismica della Terra da una parte e il verificarsi di perturbazioni nel plasma iono-magnetosferico. Lanciata il 2 febbraio 2018 a bordo di un vettore cinese, Cses-01 ha già iniziato a fornire le prime risposte, in particolare grazie al rivelatore di particelle di alta energia Hepd-1, uno dei contributi italiani alla missione cinese. «Il bilancio scientifico dei primi 4 anni di volo del satellite Cses – commenta Mirko Piersanti, responsabile scientifico del gruppo di ricerca Li.M.I.C., Lithosphere – Magnetosphere – Ionosphere Coupling - è estremamente positivo. Hepd, insieme agli altri payload, ha trasmesso un’enorme quantità di dati, la cui analisi 28 | SPAZIO 2050

ha portato ad una migliore comprensione dei meccanismi di accoppiamento magnetosfera-ionosfera durante periodi di alta attività solare. Una rappresentazione artistica dell’interazione del Sole con la magnetosfera terrestre Credits: Nasa's Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith.

In particolare, i dati di campo magnetico e particelle energetiche di Cses sono stati inseriti in due analisi multi-strumentali globali delle tempeste geomagnetiche di agosto 2018 e maggio 2021, mostrando le enormi capacità di Cses in ambito space weather per la comprensione della dinamica delle fasce di radiazione di Van Allen in relazione al forcing solare. Inoltre, Hepd ha misurato per la prima volta in ionosfera, a quota 500 km, il flusso di protoni cosmici di bassa energia con grande precisione, fornendo un contributo chiave alla comprensione del campo magnetico interplanetario. Infine – aggiunge Piersanti - grazie all’estrema frequenza di campionamento del rivelatore di campo elettrico (Efd), è stato possibile identificare, per la prima volta, le fluttuazioni a piccola scala spaziale del campo elettrico all’ingresso dell’ovale aurorale, dove le particelle cariche interagiscono con la ionosfera terrestre». Il satellite Cses-01 ha a bordo 9 strumenti scientifici dedicati alla misura del campo magnetico, delle pro-

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prietà del plasma ionosferico e alla misura del flusso e dello spettro delle particelle di alta energia: per la prima volta a bordo di un solo satellite, sono presenti tutti i principali sensori necessari per lo studio di ionosfera, magnetosfera e del loro possibile accoppiamento. L’orbita del satellite è eliosincrona e si trova ad un’altitudine di circa 500 chilometri. Il contributo italiano per Cses-01, regolato da un accordo tra l’Asi e l’Agenzia Spaziale Cinese è denominato Limadou in onore del missionario gesuita italiano Matteo Ricci - il cui nome cinese era, appunto Li Madou - consiste nella realizzazione di un payload, il rivelatore di particelle High Energetic Particle Detector, l’Hepd-1, e nella collaborazione alla realizzazione del rivelatore di campo elettrico Efd (Electric Field Detector) nonché nell’esecuzione dei test in camera a plasma dell'Efd e di altri strumenti realizzati dalla collaborazione cinese. Le operazioni in orbita sono effettuate dalle stazioni di terra cinesi, mentre i dati scientifici vengono archiviati e distribuiti dal centro dati Asi Ssdc. L’Infn - con le sezioni di Bologna, Napoli, Perugia, Roma Tor Vergata, il centro Tifpa-Trento e i Labo-

ratori Nazionali di Frascati - è il principale partner dell’Asi nella cooperazione con la Cnsa. Sono inoltre coinvolti nella cooperazione l'Inaf-Iaps di Roma, le Università di Bologna, Perugia, Roma Tor Vergata, Trento, l'Università Telematica Internazionale UniNettuno, l’Ifac /Cnr e l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia con le proprie competenze scientifiche di analisi dati e sviluppi di modelli geofisici.

Con Cses-02 si creerà il primo nucleo di costellazione satellitare dedicata.

Nel 2023 sarà lanciato un secondo satellite, chiamato Cses-02 che prevede un contributo italiano maggiore. «Gli ottimi risultati raggiunti nella prima missione e le forti competenze presenti nella nostra comunità scientifica - spiega Simona Zoffoli, program manager Asi per Limadou - hanno permesso all’Asi di rafforzare la partecipazione su Cses-02, la seconda missione che, insieme a Cses-01 creerà il primo nucleo di una costellazione satellitare dedicata a questo nuovo tipo di telerilevamento. In questa seconda missione, la collaborazione italiana fornirà non solo una versione aggiornata del rivelatore di particelle, l’Hepd-02, ma anche lo strumento di misura di campo elettrico Efd-02 che nel primo satellite era stato realizzato dalla collaborazione cinese». SPAZIO 2050 | 29

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Luce suLL'universo oscuro con eucLid di Redazione

Terminata l’integrazione del satellite che esplorerà l’energia oscura e penetrerà i misteri della materia oscura

Euclid è una missione dell’Agenzia Spaziale Europea (Esa) per l’astronomia e l’astrofisica con lo scopo di indagare la natura della materia oscura e dell’energia oscura con il grande contributo dell’Agenzia Spaziale Italiana (Asi) e di quella francese (Cnes). Thales Alenia Space (Joint Venture tra Thales 67% e Leonardo 33%) è prime contractor per la realizzazione del satellite ed è a capo di un consorzio industriale costituito dalle maggiori aziende spaziali europee e si avvale dei contributi scientifici di Università e centri di ricerca specializzati. Euclid analizzerà come l’Universo si sia evoluto negli ultimi 10 miliardi di anni per meglio comprendere la dinamica della sua espansione e il perché stia accelerando. Il lancio di Euclid è previsto nel 2023 per una missione della durata di 6 anni intorno al punto Lagrangiano L2 situato a 1,5 milioni di km dalla terra. Ad oggi sono state completate tutte le attività di integrazione del satellite presso lo stabilimento Thales Alenia Space di Torino e presso lo stabilimento Thales Alenia Space di Cannes saranno eseguiti i test ambientali prima di procedere alla campagna di lancio. Dopo che tutti i sottosistemi di bordo e gli strumenti scientifici Vis (Visible Instrument) e Nisp (Near Infrared Spectrometer and Photometer) sono stati individualmente integrati e collaudati, ora il telescopio, integrato in precedenza presso lo stabilimento Airbus di Tolosa, è stato installato sul modulo di servizio e sono stati integrati anche il pannello solare e l’antenna. La prossima tappa saranno le prove finali di accettazione del satellite e in particolare le prove funzionali in camera di Thermo-vuoto, le prove meccaniche acustiche e sinusoidali e le prove di compatibiltà elettromagnetica. La 30 | SPAZIO 2050

Euclid analizzerà come l’Universo si sia evoluto negli ultimi 10 miliardi di anni.

prossima review e momento decisivo sarà la Flight Acceptance Review, cui seguirà il trasferimento del satellite a Kourou, nella Guyana Francese, per iniziare la campagna di lancio. Grazie ai micro propulsori a gas freddo realizzati da Leonardo, l’Esa sarà in grado di controllare l'orientamento della sonda nello spazio con correzioni di direzione di osservazione infinitesimali. Anche le informazioni circa la linea di mira del telescopio proverranno da un sensore Leonardo: il Fine Guidance Sensor (Fgs). Leonardo fornisce infine i pannelli fotovoltaici, che assicureranno l'alimentazione di tutti i sistemi della sonda. «Eccellente è il lavoro svolto in questi anni dal team di progetto e da tutto il consorzio industriale per la missione dell’Esa Euclid – ha dichiarato Walter Cugno, Vp Esplorazione e Scienza di Thales Alenia Space - un lavoro sinergico e puntuale che conferma la capacità Thales Alenia Space di guidare lo sviluppo di missioni scientifiche particolarmente sfidanti come questa. Un ringraziamento speciale va rivolto al team che, con i contributi da Spagna, Belgio e Francia, ha permesso a Thales Alenia Space di raggiungere questa importante milestone di programma cui seguiranno i test ambientali a Cannes per poi iniziare la campagna di lancio».

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L’ItaLIa suL soLe con La mIssIone soho di Fulvia Croci @asi_spazio

Il contributo scientifico e tecnologico del nostro Paese

Se l’Italia è oggi a bordo di una delle principali missioni di osservazione del Sole, Solar Orbiter, lo deve sicuramente all’expertise sviluppato grazie alla partecipazione alla missione Esa-Nasa Soho. Il Solar and Heliospheric Observatory è stato lanciato nel 1995, a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra. Da questo punto di osservazione Soho scruta costantemente il Sole, restituendo immagini e dati spettacolari delle tempeste che imperversano sulla sua superficie. Gli studi di Soho spaziano dall'interno del Sole, attraverso la sua superficie visibile e l'atmosfera, fino alle regioni remote e difficilmente osservabili, dove il vento solare si scontra con gli atomi e gli elementi provenienti dalle altre stelle. L’Italia ha dato un notevole contributo alla missione con la progettazione e la realizzazione dello spettrometro nel canale visibile del coronografo ultravioletto Uvcs (Uv Coronagraph Spectrometer), che misura densità e temperatura della corona. Lo strumento, finanziato dalla Nasa e dall’Agenzia Spaziale Italiana, è un fiore all’occhiello dell’eccellenza scientifica del nostro Paese realizzato grazie alla collaborazione tra l’I32 | SPAZIO 2050

stituto Nazionale di Astrofisica (Inaf), le Università di Firenze, di Padova e Torino e l’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Nel dettaglio, lo spettrometro ha permesso di conoscere più nello specifico alcuni parametri fisici del vento solare: velocità di espansione, temperature cinetiche, distribuzione di velocità di protoni e ioni minori e composizione chimica. Uvcs ha permesso di analizzare nel dettaglio la corona solare ultravioletta fino agli strati più esterni, rivelando le regioni in cui viene accelerato il vento solare. Lo strumento ha anche individuato i più probabili processi di deposizione di energia che guidano il vento, differenziandolo tra vento veloce (800 chilometri al secondo) e vento lento (400 chilometri al secondo). In particolare, Uvcs ha portato alla scoperta di differenti temperature cinetiche per diversi ioni, e con valori inaspettatamente di centinaia di milioni di gradi più alte di quelle degli elettroni e dell'idrogeno in corona. Questo ha suggerito meccanismi di riscaldamento e accelerazione del vento solare legati all’interazione di risonanza tra onde di campo magnetico e plasma.

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emessa dagli atomi di idrogeno. Questa riga spettrale, la più intensa della corona esterna, è estremamente importante perché permette di usare le tecniche diagnostiche sviluppate dal team di Uvcs per la misura della velocità del vento solare. Oltre a Uvcs, Soho comprende 11 strumenti complementari, sviluppati e forniti da 12 consorzi internazionali che coinvolgono 29 istituti di 15 paesi, tra cui l’Italia. Nove consorzi sono guidati da scienziati europei, i restanti tre da scienziati statunitensi. Più di 1500 scienziati in paesi di tutto il mondo sono direttamente coinvolti negli strumenti della missione e hanno utilizzato i dati nei loro programmi di ricerca.

Lo strumento che ha prodotto i risultati più spettacolari è sicuramente l'Extreme ultraviolet Imaging Telescope (Eit). Il telescopio è in grado di riprendere immagini dettagliate dell'intera superficie solare in luce ultravioletta: in questo modo è possibile individuare i brillamenti, violente eruzioni di materia che influenzano l’atmosfera solare.

La vasta eredità di competenze e conoscenza maturata nella realizzazione di Uvcs è alla base della progettazione di Metis, il primo coronografo spaziale multi-banda montato a bordo della missione Esa Solar Orbiter. Metis è in grado di ottenere immagini coronali simultanee sia in luce visibile sia in luce ultravioletta, ed in particolare nella riga della Lyman α,

Crediti foto: EsaNasa.

Il Large Angle and Spectrometric Coronagraph (Lasco), invece, è dedicato principalmente allo studio della corona del Sole e del vento solare. Questo strumento è responsabile della realizzazione di alcune spettacolari immagini che ritraggono due comete che si sono schiantate sul Sole nel 1997. Soho ha anche facilitato lo sviluppo di una scienza completamente nuova, l’eliosismologia che, come la sismologia terrestre, offre un metodo indiretto per ottenere informazioni sulle strutture e sulla dinamica interne della nostra stella. SPAZIO 2050 | 33

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Una vetrina per le piccole e medie imprese e start-up nazionali con l’obiettivo di evidenziare percorsi unici di crescita, modelli di business in evoluzione e strategie di adattamento e anticipazione dei più avanzati trend del New Space, affinché siano di ispirazione per tutto il comparto.

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Spacearth technology – Soluzioni commerciali dalla Scienza di Silvia Ciccarelli

Nata nel 2014 come spin-off dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (Ingv), il più grande istituto scientifico europeo nel settore della geofisica con sede a Roma, SpacEarth Technology è oggi una Pmi innovativa in grado di trasformare sofisticate analisi scientifiche in prodotti commerciali ad alto valore aggiunto. Negli 8 anni di vita è stato seguito un percorso volto ad individuare e brevettare soluzioni innovative in grado di generare un elevato impatto su mercati come l’agricoltura di precisione, la navigazione marittima ed aerea, le telecomunicazioni over-the-horizon (Oth), il controllo della stabilità delle strutture e la mitigazione dei rischi naturali, inclusi quelli che provengono dall’attività solare. Sono due gli ambiti principali in cui SpacEarth opera: il monitoraggio delle infrastrutture e lo space weather. Quest’ultima è la disciplina che si occupa di monitorare e prevedere le variazioni che avvengono nello spazio interplanetario causate dalla variabilità solare. Tali fenomeni possono generare anomalie operative, prestazioni degradate, disturbi per le applicazioni a terra basate sull’uso di dati di derivazione spaziale o addirittura danni alle apparecchiature in orbita. In particolare la degradazione dei servizi di posizionamento satellitare basati sui segnali emessi dai Global Navigation Satellite System (Gnss) e i disturbi nelle 34 | SPAZIO 2050

comunicazioni radio in banda HF (3–30 MHz) indotti dalla presenza della ionosfera terrestre risultano essere critici in vari campi di sempre più frequente applicazione. Diventa quindi di fondamentale importanza la capacità di monitorare e prevedere gli effetti ionosferici avversi per sviluppare adeguate contromisure. L’algoritmo sviluppato e brevettato da SpacEarth è in grado di prevedere con pochi minuti di anticipo il verificarsi delle cosiddette ‘scintillazioni ionosferiche’, cioè delle fluttuazioni stocastiche indotte dalla presenza delle irregolarità di plasma ionosferico sui segnali Gnss ricevuti a terra, consentendo anche in tali condizioni di mantenere un livello di precisione centimetrica. Sempre sul tema del monitoraggio ionosferico SpacEarth realizza e commercializza l’Ais (Advanced Ionospheric Sounder), un radar operante in banda HF in grado di misurare i principali parametri ionosferici (quali ad esempio le altezze dei vari strati e le rispettive densità) che, attraverso il proprio software dedicato “Autoscala”, deriva in maniera automatizzata il profilo di densità elettronica locale in tempo reale. Un team interdisciplinare composto da ricercatori, ingegneri, fisici, geologi e profili commerciali è quindi all’opera per mitigare gli effetti di questi fenomeni e sviluppare soluzioni su misura per diversi mercati a terra, trasformando una attività a forte contenuto scientifico in un prodotto commerciale. Un ruolo cruciale è stato ricoperto dalla costruzione di un’ampia rete di relazioni industriali non solo su scala nazionale, da un rapporto privilegiato con il mondo della scienza e non ultimo dal fondamentale supporto ricevuto da parte delle Istituzioni, tra le quali l’ASI. Tutto ciò ha permesso di portare avanti le attività necessarie per innalzare il grado di maturità tecnologica dei prodotti, passaggio fondamentale per aumentarne le potenzialità commerciali. I prodotti che SpacEarth realizza hanno forti proiezioni internazionali, sono infatti in corso rapporti con mercati asiatici, tra cui il Vietnam, e i paesi Latino-Americani, anche perché gli impatti della variabilità solare sono maggiori per determinate latitudini. Esattamente come le previsioni meteo a terra sono diventate servizi di uso comune, la sempre maggiore pervasività nell’uso di dati di derivazione spaziale nell’economia terrestre farà sì che lo space weather sia destinato a diventare un dominio di rilievo strategico anche per i futuri sviluppi commerSpacearth ciali.

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Segui la pagina di Spacearth technology nell’Italian Space Industry Online Catalogue, con contenuti aggiornati e link ai canali ufficiali dell’azienda: https://italianspaceindustry.it/ listing/spacearth-technology/

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Sole: è questione di fisica di Giuseppe Nucera

Il contributo italiano alle prossime missioni Multi-slit Solar Explorer e Solar-C La Terra viaggia nel plasma solare che è, a tutti gli effetti, lo strato più tenue ed esterno dell’atmosfera del Sole. Alimentato dal vento solare, il suo flusso di particelle può innescare pericolose tempeste geomagnetiche, con importanti impatti sul nostro Pianeta, sui satelliti e i sistemi di comunicazione. Le particelle sono espulse dalla corona, la parte più esterna dell'atmosfera solare. Comprendere i processi fisici di questa regione sarà lo scopo di due future missioni di fisica solare: la prima è Multi-slit Solar Explorer (Muse) di Nasa; la seconda è Solar-C (Euvst) di Jaxa. Per entrambe l’Italia si è proposta con un importante contributo scientifico e tecnologico. Le competenze

italiane ricoprono, infatti, un ruolo fondamentale sui diversi fronti dell’innovazione di tali missioni, dall’approccio fino alle strumentazioni. Uno dei più grandi enigmi del Sole è il problema del riscaldamento coronale. Formata da plasma poco denso, la corona solare ha una temperatura di un milione di gradi celsius; lo strato più basso, la fotosfera, è circa sui 5600 °C, mentre la cromosfera, strato mediano, tocca i 10000 °C. Un fenomeno controintuitivo che vede la temperatura aumentare più ci si allontana dalla superficie solare. «Nei primi 500 km assistiamo a una diminuzione delle temperature, ma poi rileviamo immediatamente un SPAZIO 2050 | 35

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repentino aumento – afferma Marco Stangalini, ricercatore in fisica solare e Asi program manager della missione Solar-C e Solar Orbiter – in poche centinaia di chilometri passiamo da qualche migliaio fino a oltre un milione di gradi celsius del plasma. In questa sottile regione di transizione sospettiamo avvengano significativi processi di energizzazione del plasma». L’energia che scalda il gas sembra giungere dal campo magnetico del Sole. Questo è costituito da diverse linee che si comportano come degli elastici. Nella fotosfera, il gas del plasma avvolge questi elastici caricandoli di energia. Quando una linea del campo si spezza per il troppo accumulo, rilascia l’energia nel plasma: l’atmosfera solare diventa, così, instabile. Un intreccio tra eventi circoscritti, il rilascio di energia, e fenomeni su larga scala nei campi magnetici e nel plasma solare, con influenza reciproca.

Il campo magnetico del Sole è costituito da diverse linee che si comportano come degli elastici.

«Le strutture magnetiche possono occupare diverse migliaia di chilometri, mentre il rilascio di energia avviene su piccola scala. Ecco perché sono necessari simultaneamente una vista a larga scala e uno sguardo dettagliato», afferma Stangalini. Muse e Solar-C dovranno osservare con cadenze temporali molto alte. Questi rilasci si manifestano, infatti, nel giro di pochi secondi negli strati più esterni dell’atmosfera. Tuttavia, l’energia viene immagazzinata dal campo magnetico lungo tutta la profondità atmosferica. Da qui la necessità di mappare tridimensionale tutte le quote dell’atmosfera solare. «Non è sufficiente osservare dove avviene il rilascio di energia: per prevedere se ci sono zone del campo che avvieranno rilasci, dobbiamo capire il processo di immagazzinamento di energia seguendolo nel tempo e a tutte le scale spaziali di interesse», afferma Stangalini. Per studiare i processi fisici alla base della dinamicità del Sole ci si spinge, dunque, verso missioni con un mix di performance: un’alta risoluzione di indagine per i dettagli; un’alta copertura spaziale per osservare aree su larga scala; un'ampia copertura spettrale per indagare in più lunghezze d’onda; infine, un’alta cadenza temporale delle osservazioni nell’ordine di pochi secondi. Una ricetta complessa messa in atto dalla tecnologia su cui Muse e Solar-C si basano, lo spettrografo a fenditura: uno scanner in grado di combinare un ampio campo visivo con un campionamento spaziale fine, fornendo informazioni simultanee su un ampio intervallo spettrale. Attraverso una piccola apertura si indaga una sezione dell’atmosfera solare in diverse lunghezze d’onda. Vi è pero, così, la necessità di spostare ogni volta l’apertura in fase di indagine per coprire zone più vaste. 36 | SPAZIO 2050

Questa immagine del campo magnetico del Sole, realizzata grazie a modelli informatici dagli scienziati del Solar Dynamics Observatory (Sdo) di NASA, mostra chiaramente la concentrazione di linee che costituiscono il campo magnetico solare, le cui attività influenzano la dinamicità del Sole. Crediti: Nasa/Gsfc/ Solar Dynamics Observatory.

Un movimento che impiega del tempo, con il rischio di perdere attimi del fenomeno osservato. La soluzione adottata da Muse è una griglia di 37 fenditure che scannerizzano simultaneamente 37 sezioni della superficie solare, cucite insieme in seguito come un puzzle. Ciascuna fenditura fornirà informazioni sui diversi livelli della regione osservata, come uno scanner in grado di analizzare inchiostro, qualità della carta e tipologia di piano d’appoggio per ciascun foglio di atmosfera solare. «Questa tecnica ci permette di ottenere un’informazione bidimensionale spettrale ma con tempiscala che sono più piccoli di quelli della dinamicità intrinseca del Sole: riusciamo, cioè, a congelare i processi evolutivi dell’atmosfera solare e avere grandissima risoluzione spettrale ma su larghi campi di vista», afferma Stangalini. Una tecnica alternativa è quella dell’imaging spettrale, utilizzata dalla missione Esa-Nasa di Solar Orbiter. Qui si utilizzano filtri settati solo su una piccola porzione dello spettro luminoso: la fotografia tridimensionale dell’atmosfera solare si ottiene sovrapponendo diverse immagini, ciascuna ottenuta in una sola

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le asperità e la rugosità delle ottiche. Come una ruota piccola su una strada dissestata che percepisce ogni perturbazione, a differenza della ruota di un trattore», afferma Stangalini. L’intreccio di competenze ha reso possibile, inoltre, alla comunità scientifica nazionale proporre per Muse soluzioni tecnologiche innovative, come le speciali tipologie di filtri, di specchi o di coating, ossia i livelli depositati sulle ottiche per aumentarne la performance. «Queste soluzioni nascono dalle competenze acquisite dall’Italia in vari ambiti dell’astrofisica. Oltre a richiedere capacità realizzative veramente estreme, queste possono avere un riflesso positivo sulle performance dell’intero strumento», afferma Stangalini.

lunghezza d’onda. Nel caso di Solar-C la fenditura è fornita dal contributo della comunità scientifica italiana, grazie alla quale la missione giapponese potrà indagare l’atmosfera del Sole a diverse altitudini nello stesso tempo. «Ogni lunghezza d’onda della radiazione solare si forma a quote diverse dell’atmosfera solare. Esplorare diversi range spettrali significa, quindi, spostarsi di quota nel Sole: osservando all’infrarosso e all’ultravioletto simultaneamente, stiamo indagando un fenomeno lungo le diverse altitudini atmosferiche. Ecco perché si tende ad aumentare la copertura spettrale delle missioni di fisica solare», afferma Stangalini. Una capacità di profondità che implica la dotazione di specchi e rispettivi filtri caratterizzati da una levigatura perfetta, con una rugosità intrinseca estremamente piccola. Questo per limitare la perturbazione che eventuali asperità superficiali potrebbero causare nell’osservazione della luce a righe spettrali così piccole. Anche in questo caso la soluzione a Muse e Solar-C è fornita dalla comunità scientifica italiana, grazie alle sue competenze multidisciplinari. «Più la lunghezza d’onda è piccola, più la luce subisce

La missione dimostrativa Proba-3 di Esa testerà sul campo una tecnologia per aumentare la regione di indagine della corona e del campo magnetico.

Dopo la fase di indagine, per leggere la fotografia tridimensionale dell’atmosfera solare è necessario il contributo della modellistica. Rilevata ciascuna lunghezza d’onda, infatti, questa deve essere associata alla quota atmosferica di provenienza: per far questo, e interpretare ciò che si osserva nelle immagini, è necessario utilizzare complessi modelli realistici dell’atmosfera solare. Anche in questo ambito, la comunità scientifica italiana partecipa con un contributo importante alle missioni Muse e Solar-C. L’expertise italiana nel campo della fisica solare sarà a bordo anche della missione dimostrativa Proba-3 di Esa. Prevista per il 2023, testerà sul campo una tecnologia per aumentare la regione di indagine della corona e del campo magnetico. L’Italia fornirà 4 sensori e con Asi è il terzo contribuente della missione. Proba-3 si basa sul volo in formazione di due satelliti: il coronografo Aspiics e il suo disco occultatore distante 150 metri. Rispetto ai coronografi tradizionali con un disco distante un metro, Proba-3 ridurrà la regione occultata da 3 a circa 1 raggio solare. I 4 sensori realizzati da Inaf, gli Shadow Position Sensors, valuteranno se il disco davanti sia in posizione corretta monitorandone l’ombra sul coronografo, o se vi è, invece, uno sbilanciamento di illuminazione. Una tecnologia italiana fondamentale per il volo in tandem per future missioni solari. L’Italia è dunque protagonista nell’evoluzione della fisica solare, con il forte contributo di Inaf, Cnr e di alcune università italiane, tra cui Padova e Palermo. Fondamentale, infine, il ruolo di coordinamento svolto dall’Agenzia Spaziale Italiana nel connettere i diversi bagagli di conoscenze. «Ogni comunità ha background e competenze differenti e il compito di Asi è mettere insieme queste capacità trasversali per realizzare innovazioni e aprire una nuova strada della fisica solare», conclude Stangalini. SPAZIO 2050 | 37

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Aspis, un nuovo prototipo di centro dAti scientifico dedicAto Allo studio dello spAce weAther di Giuseppe Nucera

La comunità scientifica italiana è da anni molto attiva nello studio dello space weather, ossia l’influenza dell’attività del Sole sul nostro pianeta e sugli altri corpi del Sistema Solare, e delle relative implicazioni sulla protezione dei nostri asset spaziali. Insieme al monitoraggio dei detriti e a quello dei Near Earth Objects, lo space weather è uno dei tre pilastri della safety nell'ambiente spaziale, delle attività lì condotte e di quanto sulla Terra da tali attività dipende, dalla navigazione alle telecomunicazioni. La scienza dello space weather è caratterizzata da una forte interdisciplinarità, mettendo a fattor comune competenze di più settori scientifici e discipline di studio. L’approccio interdisciplinare è in effetti indispensabile per comprendere la natura dei fenomeni che guidano l’interazione Sole-Terra e per poter affrontare in modo efficace il problema della previsione dello space weather e della definizione di eventuali contromisure. In tale contesto, di diversificazione e di opportunità allo stesso tempo, la collaborazione Asi e Inaf ha portato nel 2021 al bando Aspis (Asi Space weather InfraStructure) con lo scopo di sviluppare il prototipo di un centro nazionale di raccolta ed elaborazione dati per la meteorologia spaziale. Aspis in greco vuol dire “scudo” (ασπίς); e sono proprio l’analisi dei dati e la modellistica che forniranno la base solida necessaria per poter sviluppare sistemi dedicati alla protezione dagli impatti tecnologici e biologici dello space wea38 | SPAZIO 2050

ther. La proposta vincitrice si chiama Caesar, progetto partito nel 2022 che coinvolge oltre 80 scienziati da 11 università ed enti di ricerca di tutta Italia. L’obiettivo biennale sarà popolare il prototipo del database unico dal nome Aspis: questo andrà ad accogliere dati forniti da strumenti con partecipazione italiana o da software e modelli sviluppati da ricercatori italiani. «La natura stessa delle ricerche dedicate allo space weather presenta un grado di interdisciplinarità scientifica e di reciproco potenziarsi fra aspetti operativi e scientifici che è difficile riscontrare altrove», afferma Christina Plainaki, ricercatrice Asi nelle Scienze del Sistema Solare e project scientist per Aspis. «Quanto sarà implementato all'interno di Aspis spazierà dall'eliofisica, alla fisica dei plasmi, alle scienze planetarie, all'astrofisica stellare, all'aeronomia terrestre, offrendo un panorama davvero in grado di dare grandi stimoli a molte diverse comunità. Ed è proprio verso questi aspetti scientifici che - attraverso Aspis - abbiamo rivolto negli anni la nostra attenzione», continua Plainaki. «Oggi un ricercatore impiega gran parte del tempo per la riduzione del dato, ossia a trattarlo in base alla tecnologia che lo ha prodotto, prima di poterlo confrontare con altri dati», spiega Giuseppe Sindoni di Asi, project manager per Aspis. «Vogliamo facilitare questa fase di analisi in modo tale da fornire dati immediatamente fruibili, comparabili e interpretabili,

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«Ogni evento ha una causa che lo genera, ma non è detto che causa ed effetto possano essere osservati con lo stesso strumento o nello stesso momento. Aspis utilizzerà diversi dati e modelli per descrivere fasi distinte dello stesso fenomeno», afferma Sindoni. «È nostra convinzione che, con il principio di diffusione delle competenze e l’incontro di diversi expertise nell’interno di Aspis scaturiranno nuove ed importanti occasioni di collaborazione tra l’Asi, gli Enti di Ricerca e le Università», aggiunge Plainaki. «Aspis rappresenta un importante sforzo sistematico nell’analisi dei dati ottenuti e nella modellistica relativa allo space weather».

massimizzandone così il ritorno scientifico», aggiunge Sindoni. Obiettivo principale di Aspis sarà garantire un accesso semplice ed efficiente a dati multidisciplinari sullo space weather, fornendo insieme informazioni di diverso tipo, come immagini, spettri e flussi, per distinte tematiche di ricerca. Sarà così possibile uno sguardo multilivello sui fenomeni solari, passando dalla cromosfera agli eventi altamente energetici oltre la corona solare, fino ad arrivare all’interazione con i corpi planetari come la Terra.

Eruzione solare. Credits: Nasa/Sdo.

Aspis vuole rappresentare un primo passo verso prossimi strumenti predittivi in grado, in futuro, di stimare l’entità e l’evoluzione dei flussi di particelle solari in anticipo, grazie al monitoraggio di alcuni segnali precursori. Una frontiera che permetterà lo sviluppo di protezioni adeguate per le tecnologie satellitari e di radioprotezione per l’esplorazione umana dello spazio. SPAZIO 2050 | 39

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Identikit dello Space Weather di Mirko Piersanti Ricercatore del Dipartimento di Fisica dell'Università dell'Aquila «Dico bastarmi per ora l’aver dimostrato che le macchie non sono stelle né materie consistenti, né locate lontano dal Sole, ma che si producono intorno ad esso, con maniera non dissimile a quella delle nugole e altre fumosità intorno alla Terra». Così recitava la prima lettera di Galileo Galilei al Duumviro di Augusta e socio linceo Marco Welser nel 1612. Galilei fu il primo ad osservare come la nostra stella, il Sole, non fosse una sfera perfetta ed omogenea, ma ricoperta da macchie di colore scuro, poi denominate macchie solari. Oggi, sappiamo che le macchie solari sono le regioni magneticamente attive del Sole e rappresentano la principale fonte di rischio di quelle che vengono comunemente chiamate tempeste solari. Le macchie solari sono generate, in base alla teoria tutt’oggi più accreditata, da flussi magnetici molto intensi che escono dalla superficie solare una volta che i flussi stessi si attorcigliano gli uni sugli altri a causa della rotazione differenziale del campo magnetico solare. Il Sole, infatti, ha un campo magnetico estremamente debole con un asse che non è fisso, ma che migra dai poli verso l’equatore e poi di nuovo verso i poli con un’orientazione opposta, in un periodo di circa 22 anni. L'attività solare viene misurata in base al numero di macchie solari presenti sulla fotosfera. Il numero medio di macchie solari non è costante, ma varia tra periodi di minimo e di massimo. Il ciclo solare è il periodo, lungo in media 11 anni, che intercorre tra un periodo di minimo - o di massimo - dell'attività solare e il successivo. In generale, il Sole emette costantemente un flusso di gas completamente ionizzato, altamente conduttore e globalmente neutro detto plasma, formato essenzialmente da protoni ed elettroni che prende il nome di vento solare (Sw). La dinamica del Sw è descritta dalla teoria di E. Parker, formulata nel 1957, secondo la quale il plasma coronale è così caldo da riuscire a sfuggire alla gravità solare. Nel suo moto il vento solare si trascina dietro il campo magnetico solare, dando vita al campo magnetico interplanetario (Imf). Essendo emesso in tutte le direzioni, il percorso seguito dal Sw, a causa della rotazione solare, è a spirale, ed è noto come spirale di Parker. Il fenomeno è simile a quello che succede ad un irrigatore di un giardino che spruzza l’acqua ruotando su se stesso, facendo seguire all’acqua un percorso a spirale. Oltre al Sw, il Sole può emettere impulsivamente dalle sue regioni attive grosse quantità di energia sia elettro-magnetica, come i brillamenti o solar flare, sia particellare, come i getti di massa coronale, i coronal mass 40 | SPAZIO 2050

Il Sole emette costantemente un flusso di gas completamente ionizzato, altamente conduttore e globalmente neutro detto plasma, formato essenzialmente da protoni ed elettroni che prende il nome di vento solare (Sw).

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ejection in gergo noti come Cme. Quando una di queste emissioni colpisce la Terra, si può generare, in particolari condizioni, una tempesta geomagnetica. La Terra possiede un campo magnetico di origine interna, chiamato campo geomagnetico, che in prima approssimazione può essere considerato dipolare. In realtà, l’interazione con il Sw ne modifica la topologia, comprimendo le linee di campo in direzione solare ed allungandole, formando una vera e propria coda in direzione anti-solare. Questa nuova configurazione prende il nome di magnetosfera terrestre. In generale, la magnetosfera non permette l’accesso alle particelle trasportate dal vento solare. Comportandosi come un sasso in un fiume, infatti, la magnetosfera funge da ostacolo al vento solare che fluisce attorno alla sua superficie esterna invece di raggiungere l’atmosfera o la superficie del nostro pianeta. Questo consente di avere un’atmosfera planetaria stabile nel tempo ponendo le basi per la generazione di vita biologia complessa. Tuttavia, durante una Cme, il campo magnetosferico si può indebolire permettendo alle particelle di origine solare di arrivare fino alla parte più esterna dell’atmosfera terrestre, la ionosfera. L’interazione tra quest’ultima e le particelle trasportate dal Sw danno luogo ad uno dei fenomeni più romantici e meravigliosi sulla Terra: le aurore. Queste condizioni si sviluppano quando il campo magnetico trasportato dal vento solare ha la stessa intensità e direzione ma verso opposto a quello terrestre. I due campi magnetici, allora, si elidono facendo diminuire il campo geomagnetico. Si genera quella che viene chiamata tempesta geomagnetica. Le scale temporali di una tempesta geomagnetica possono variare da alcune ore a giorni interi, a seconda delle scale spaziali della perturbazione di origine solare. In generale, quello che si osserva a terra è un’iniziale depressione del campo geomagnetico dovuto all’incremento della corrente ad anello, detta fase principale, e un successivo e lento ritorno alla situazione pre-tempesta, chiamata fase di recupero, in cui il plasma di origine solare viene lentamente espulso dalla coda geomagnetica. Durante la fase principale, oltre alla decrescita del campo, si possono osservare, ad alta latitudine, i meravigliosi fenomeni conosciuti come aurore polari. Le aurore sono causate dal flusso magnetico riconnesso nella regione sub-solare che viene trasportato verso la coda geomagnetica dal plasma che fluisce nelle regioni polari della magnetosfera, intensificando il campo della coda geomagnetica. Quest’ultima scarica la propria energia tramite il sistema delle correnti allineate al campo immettendo plasma in ionosfera, l’ovale aurorale, e dando origine alle aurore. Durante questo processo, in ionosfera si generano correnti elettriche molto intense, note come elettrogetto aurorale. La posizione geografica dell’ovale aurorale è in generale confinata nelle zone polari. Tuttavia, l’occorrenza di una tempesta geomagnetica può far scendere l’ovale aurorale a latitudini più basse fino a raggiungere, in casi estremi, latitudini di 40°. L’impatto che questi eventi possono avere sulla nostra società è soprattutto di carattere tecnologico, anche se alcuni effetti di carattere biologico per gli equipaggi dei voli con rotte polari e per gli astronauti nella stazione spaziale internazionale non possono essere trascurati. Infatti, le correnti ionosferiche molto intense che si creano durante una tempesta geomagnetica inducono a loro volta correnti molto intense nel sottosuolo, dette Gic. Le Gic possono interagire con le reti elettriche nazionali dando luogo a black-out che possono durare anche alcune ore. In più, tutti i servizi di navigazione e telecomunicazione satellitare possono subire disturbi la cui durata oscillerebbe da alcune decine di minuti a diverse ore, causando ritardi/cancellazioni di voli e problemi nel trasporto sia su strada sia marittimo. Non è da escludere che molti satelliti in orbita suSPAZIO 2050 | 41

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biscano anomalie transitorie o rimanere permanentemente danneggiati. Infine, il rischio di tipo biologico è strettamente legato ai brillamenti solari. Questi raggi solari sono abbastanza numerosi e energetici da attraversare i 2-3 millimetri di parete dalla navicella. Per questa ragione, in caso di brillamento, gli astronauti della Iss si rifugiano in una zona in cui un campo magnetico artificiale viene usato per schermarne l’effetto. Per questi motivi negli ultimi 30 anni è nata la scienza dello space weather, ossia delle previsioni meteorologiche spaziali, che si occupa di tentare di prevedere l’arrivo a Terra e gli effetti potenziali di un evento solare. Al momento, i migliori risultati sui tempi di previsione è dell’ordine di 1 – 2 ore prima, nonostante l’evento solare possa essere osservato con almeno 2 giorni di anticipo.

Le space weather, le previsioni meteorologiche spaziali, si occupano di prevedere l’arrivo a Terra e gli effetti potenziali di un evento solare.

Complessivamente, il danno socioeconomico di un singolo evento meteorologico spaziale estremo è stato stimato nel 2016, nello studio appaltato dall'Esa fino a 15 miliardi di euro nella sola Europa. Ciò significa che servizi meteorologici spaziali accurati e tempestivi sono molto importanti per mitigare gli impatti e ridurre i relativi costi socioeconomici. Per questo motivo, L’Esa lancerà quest'anno insieme alla Commissione Europea un nuovo studio per analizzare, entro il 2024, i potenziali impatti degli eventi meteorologici spaziali sull'economia e sulle infrastrutture europee, e per stimare i relativi costi socioeconomici. Anche l’Asi si sta muovendo in questa direzione. Da un lato ha dato vita al progetto Aspis (Asi SPace weather InfraStructure), che propone di sviluppare un centro dati scientifico che ospiterà tutti i modelli e database italiani relativi allo space weather. Questo rappresenta il primo passo italiano per future implementazioni di modelli e servizi di previsione delle condizioni meteorologiche spaziali. Dall’altro, l’Asi è parte integrante della missione satellitare Cses (China Seismo-Electromagnetic Satellite). La costellazione Cses – con il primo satellite in volo da Febbraio 2018 e il secondo previsto per metà 2023 - è dedicata al monitoraggio della dinamica del campo elettromagnetico, del plasma e delle particelle energetiche in ionosfera. L’Asi è responsabile di due dei nove payload a bordo dei satelliti: il rivelatore di particelle ad alta energia, in collaborazione con l’Infn ed il rivelatore di campo elettrico, in collaborazione con l’Inaf-Iaps.

Meteo SpazIale, SorveglIato SpecIale di Mauro Messerotti Senior advisor for Space Weather, Direzione Scientifica Inaf Docente di Meteorologia e Climatologia dello Spazio, Dipartimento di Fisica, Università di Trieste

La sicurezza nello spazio per i sistemi tecnologici e per l'uomo richiede una continua attività di monitoraggio e di previsione dei fenomeni che possono metterne a rischio l'incolumità durante le tempeste spaziali. La sorgente primaria nel nostro Sistema Solare è la stella Sole. L'attività solare è determinata dalla presenza di macchie solari in fotosfera, che sono serbatoi instabili di energia magnetica concentrata, rilasciata in forma 42 | SPAZIO 2050

impulsiva nei brillamenti solari. Lo spazio viene allora irradiato da intensi lampi di radiazione elettromagnetica (gamma, X, estremo ultravioletto, radio) ed attraversato da flussi di elettroni e protoni accelerati ad alte energie detti Sep (Solar Energetic Particles) e da gigantesche bolle di gas magnetizzato ad alta temperatura le Coronal Mass Ejection, in sigla Cme. Tali emissioni interessano la Terra e tutti i pianeti del

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Sistema Solare, provocando malfunzionamenti dei veicoli spaziali, causando l'assorbimento di pericolose dosi di radiazioni ionizzanti per gli astronauti ma anche per gli aeromobili in rotte polari sulla Terra, interferendo nella propagazione delle onde radio nella Ionosfera terrestre, provocando interruzioni della distribuzione dell'energia elettrica. Per mitigare gli effetti nocivi delle tempeste spaziali è necessario quindi orchestrare un sistema complesso che si basa sull'azione combinata di tre attività complementari nel campo dello space weather. La prima è il monitoraggio continuo in tempo reale delle sorgenti e dei fenomeni sia da Terra che dallo spazio, poiché l'atmosfera terrestre blocca radiazioni a diverse lunghezze d'onda. La seconda è la ricerca scientifica, che fornisce i modelli scientifici dei fenomeni; infine vi sono le operazioni di previsione, basate sui modelli scientifici validati come operativi - un processo che può richiedere anni di lavoro ed è rappresentato dalla stretta connessione Ricerca-Operazioni-Ricerca, conosciuto in gergo come R2o2r - che vengono fruite dagli utenti finali, che sia il grande pubblico o gli operatori di satelliti). È evidente che la realizzazione di un sistema di questo tipo richiede un'infrastruttura di assetti osservativi da terra e dallo spazio, una estesa collaborazione nell'ambito della ricerca scientifica ed un centro infrastrutturale per lo space weather che si serve in modo coordinato di tutte le risorse operative disponibili per effettuare il monitoraggio e la previsione a breve (Meteo dello spazio) ed a lungo termine (Clima dello spazio) dei fenomeni. Un sistema di questo tipo è

necessariamente distribuito tra le varie realtà di ricerca, accademiche ed industriali nonché militari di un paese. L'Agenzia Spaziale Europea ha realizzato un sistema per la conoscenza della situazione dello spazio detta Ssa (Space Situational Awareness) per lo space weather a cui contribuiscono con servizi specifici molti paesi europei, tra i quali l'Italia. Negli Stati Uniti, la Noaa (National Oceanic and Atmospheric Administration) in collaborazione con la Nasa e con l'Aviazione (Usaf) gestisce lo Space Weather Prediction Center.

Il sistema SoleTerra ed i domini meteo spaziali monitorati. (Crediti: Nasa, M. Messerotti).

L'Italia ha iniziato lo sviluppo di un servizio nazionale per lo space weather, sia per uso civile che per uso militare. L'inizio è stato impresso dall'Agenzia Spaziale Italiana che ha coordinato i diversi attori italiani quali Inaf, Ingv, Cnr, Infn, Accademia e Industria in un tavolo di lavoro. Il primo tassello di un archivio di dati scientifici per lo space weather presso Asi, denominato Aspis, è ora in corso di realizzazione a guida Inaf ed è stato battezzato Caesar (Comprehensive spAce wEather Studies for the ASPIS prototype Realization). È stato quindi siglato un accordo di collaborazione tra l'Aeronautica Militare, l'Inaf e l'Ingv, che ora verrà esteso ad Asi, per la realizzazione del servizio nazionale di monitoraggio e previsione. L'Inaf possiede una rete di assetti a terra per il Meteo Solare ed Eliosferico, l'Ingv è una realtà di eccellenza per il Meteo della Ionosfera, l'Aeronautica Militare ha un servizio di space weather per finalità militari. L'Asi estenderà significativamente tali capacità grazie alle proprie infrastrutture ed all'esperienza acquisita in ambito Ssa/ Sst (Space Surveillance and Tracking). SPAZIO 2050 | 43

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Il Sole è fonte di vita. Una presenza necessaria, ma anche pericolosa. Un’espressione della natura che implica la logica dell’equilibrio che compensa la forza della creazione e della distruzione. La meteorologia spaziale, questa disciplina complessa e relativamente giovane, oltre a occuparsi delle relazioni Sole – Terra per prevenire i disagi sul nostro pianeta, studia l’influenza dell’attività solare su tutto il Sistema Solare. A complicare le condizioni della meteorologia spaziale, che non è determinata solo dalla nostra stella, contribuisce anche il plasma interstellare presente nella Via Lattea e oltre.

Che tempo Che fa… nel SiStema Solare di Barbara Ranghelli

Le particelle cariche, i campi magnetici e le radiazioni elettromagnetiche emesse dal Sole occupano un’area che include tutti i pianeti che gli orbitano attorno, in una sorta di bolla chiamata eliosfera. Non si conosce esattamente fino a dove questa si estenda e che forma abbia, ma esistono dei modelli generati dal lavoro di sonde spaziali come le Voyager 1 e 2, in viaggio da 45 anni; quel che è certo è che a sua volta l’eliosfera ci difende dai raggi cosmici. Nella nostra galassia, infatti, ma anche in quelle esterne, si generano fenomeni ad altissimo livello energetico. Basti pensare alle emissioni delle supernovae, ai lampi di raggi gamma o ai potenti campi magnetici delle quasar. Come si difendono i corpi celesti, dunque, all’interno dell’eliosfera? Gli scudi protettivi per eccellenza sono il campo magnetico, l’atmosfera e talvolta, è la massa stessa dei pianeti che ripara i propri satelliti dal vento solare; quest’ultimo, colpisce la superficie di ogni pianeta, satellite, asteroide o cometa, che secondo la propria composizione e distanza dal Sole, reagisce in modo diverso. L’aurora, per esempio, l’espressione più affascinante prodotta dal vento solare, la troviamo su quasi tutti i pianeti, sebbene con differenti manifestazioni. Partiamo da Mercurio, l’oggetto più vicino al Sole. Non ha un’atmosfera, ma ha un campo magnetico; le particelle solari, canalizzate attraverso di esso, impattano sulla sua superficie estraendo gas dal sottosuolo e creando aurore senza luci e suoni, nelle zone polari. Durante le espulsioni di massa coronale, invece, il campo magnetico è inefficace, per cui la vicinanza al Sole ha eroso nel tempo la sua crosta esterna e la perdita di volatili lo ridurrà fino a scomparire. Ma proprio per questa prossimità, chi meglio di Mercurio ci può dare informazioni riguardo l’influenza della nostra stella? Dopo le missioni della Nasa, Mariner 10 e Messenger, adesso è la sonda Bepi Colombo dell’Agenzia Spaziale Europea (Esa) e Giapponese (Jaxa), a indagare sull’evoluzione del pianeta; lanciata nel 2018, ha compiuto il suo secondo flyby pochi giorni fa ed entrerà nell’orbita di Mercurio nel 2025. Oltre un terzo degli strumenti di uno dei due satelliti a bordo della navicella, sono italiani: Serena (Search for Exosphere Refilling and Emitted Neutral Abundances), Isa (Italian Spring Accelerometer), Simbio-Sys (spettrometri e registratori d’immagini) e More (Mercury Orbiter Radio science Experiment). Poi c’è Venere, che non ha un campo magnetico, ma un’atmosfera molto densa che protegge la superficie dalle particelle solari, e quindi dall’erosione, ma non dal surriscaldamento. L’interazione tra vento solare è atmosfera crea dinamiche molto complesse, oggetto di studio.

Aurora al polo nord di Saturno - Cassini Crediti Esa Nasa Anelli e aurore di Urano ripreso dal Voyager2 e Hubble Crediti Nasa Esa Hubble Aurore di Giove - chandra Crediti Nasa

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La Terra, invece, ha un campo magnetico intenso che nemmeno le espulsioni di massa coronale riescono a piegare; la configurazione geometrica della magnetosfera permette al vento solare di entrare in collisione con l’atmosfera e liberare energia sotto forma di luce visibile; questo fenomeno dà luogo ad aurore con differenti frequenze che creano luci straordinarie e talvolta anche suoni. La Terra sarebbe dunque in grado di mitigare gli effetti dell'attività solare avendo trovato, nel tempo, una sorta di equilibrio con la nostra stella. Un equilibrio che però è minacciato

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Eliosfera e Sistema Solare. Mercurio visto da Bepi Colombo - secondo flyby Crediti Esa Jaxa.

dall'uomo, le cui attività hanno innescato un aumento critico della temperatura media globale sulla superficie del pianeta. Marte, il quarto pianeta più vicino al Sole, è indifeso. Sembra che abbia perso nel tempo il suo campo magnetico e piano piano il Sole consumerà la sua atmosfera già rarefatta. Il vento solare continua a portare via materiale dal pianeta, avanzando il processo di erosione. Oltre la fascia degli asteroidi e quindi sui pianeti esterni, quelli gassosi, l’interazione del vento solare è più complessa. Oltre alle dense atmosfere, entrano in gioco anche i satelliti che partecipano, insieme al Sole, alle dinamiche del pianeta madre, e viceversa.

La terra sarebbe in grado di mitigare gli effetti dell'attività solare avendo trovato, nel tempo, una sorta di equilibrio con la nostra stella. Un equilibrio che però è minacciato dall'uomo.

Lo spettrometro italiano Jiram (Jovian Infrared Auroral Mapper), per esempio, montato sulla sonda Juno della Nasa, ha scoperto che a dar luogo alle aurore di Giove non è tanto il plasma solare quanto le particelle espulse dall’attività vulcanica di Io, una delle quattro lune maggiori del pianeta, visibili dalla Terra. Saturno, Urano e Nettuno, sono meno conosciuti a causa della loro distanza. Tuttavia, le sonde Voyager, Cassini-Huygens di Nasa, Esa e Asi, e talvolta anche il telescopio Hubble, hanno rilevato, su questi pianeti lontani, la presenza di aurore, ognuna con caratteristiche peculiari, a seguito dell’impatto di uno sciame di particelle del vento solare. Abbiamo visto come la meteorologia spaziale trasforma nel tempo i corpi del Sistema Solare, ognuno con una sua risposta caratterizzata dal proprio status; per questo è importante comprendere l’origine dei fenomeni, come attenuarne le conseguenze o addirittura prevenirle. Lo scorso febbraio, è stato annunciato da Esa il nome della futura missione interamente dedicata alle previsioni della meteorologia spaziale: Vigil. Si tratta di due navicelle, il cui lancio è atteso non prima del 2025, che saranno collocate nei punti di equilibrio gravitazionale Lagrange 1 e 5. Intanto, per render più fruibili le notizie che riguardano il “messaggero degli dei”, ovvero Mercurio, si è costituito Bepit, pseudonimo scelto da un gruppo di ricercatori, che si occupa della divulgazione scientifica degli strumenti italiani a bordo della missione Bepi Colombo. SPAZIO 2050 | 45

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IN VETRINA

Il lIbro Svelando il lato oScuro del Sole di Paolo D’Angelo

Che la nostra vita dipenda dal Sole è cosa vecchia. Senza la nostra stella non esisterebbe alcuna forma di vita sull’intero pianeta Terra. Eppure, il Sole non ha rappresentato un punto fondamentale per l’esplorazione spaziale, almeno non all’inizio dell’avventura spaziale. Solo alcune sonde, prevalentemente americane, tra il 1959 e il 1968 ne hanno studiato la fisica e la sua dinamica. La curiosità degli scienziati c’era anche allora ma si è scontrata però con la difficoltà tecnica di realizzare missioni che potessero spingersi sempre più vicino al Sole per carpirne ulteriori dati. Rispetto ad allora oggi le cose sono decisamente migliorate soprattutto a livello tecnologico. È da poco più di 30 anni, infatti, che la nostra stella è posta al centro dell’interesse scientifico di tutte le agenzie spaziali del mondo. A raccontarci la storia di come si è esplorato e come si sta esplorando il Sole oggi, è Paolo Ferri, laurea in fisica teorica all’Università di Pavia, che per ben 37 anni ha lavorato al centro di controllo dell’Agenzia Spaziale Europea a Darmstadt in Germania. Ferri ha partecipato fin dall'inizio all'enorme sforzo scientifico e tecnologico di inviare sonde spaziali sempre più sofisticate in missioni sempre più ambiziose. A cominciare da Ulysses rilasciata del 1990 dallo Space Shuttle, Soho lanciata nel 1995 e Cluster costellazione di 4 satelliti lanciati nel 2000, per poi osare avvicinarsi sempre più al Sole, prima con Venus Express lanciata nel 2005 verso Venere, poi con Bepi Colombo che ha l’obiettivo di studiare il pianeta Mercurio dove arriverà nel 2025 e infine con Solar Orbiter, la missione più ambiziosa mai ideata per lo studio ravvicinato della nostra stella. Dal 2006 al 2013 è stato responsabile delle operazioni di missione delle sonde solari e planetarie e dal 2013 al 2020 di tutte le missioni spaziali robotiche dell’Esa. Nel libro vengono citate tutte queste avventure vissute da protagonista ma quello che traspare è una forte umiltà nel narrarle. Un libro che quindi solo lui avreb46 | SPAZIO 2050

come si è esplorata e come si sta esplorando la stella più importante per la nostra sopravvivenza

titolo: Il lato oscuro del Sole L’esplorazione spaziale della nostra stella autore: Paolo Ferri editore: Editori Laterza anno edizione: 2022 Prezzo: 20 euro

be potuto scrivere e nel quale Ferri racconta, oltre alla sua carriera, di come si sono affrontate le sfide tecnologiche e umane e le mille difficoltà incontrate. Un paio su tutte: dare alla sonda Ulysses una traiettoria che la portasse dapprima verso Giove e poi, utilizzando un assist gravitazionale, catapultarla verso i poli solari. Un gioco da biliardo davvero niente male. Altrettanto curioso il racconto della delusione di vedere esplodere il vettore europeo Ariane 5 al suo volo inaugurale nel 1996, con a bordo le quattro sonde Cluster destinate allo studio del Sole. Forte delusione ma anche tanta determinazione nel far rinascere il programma realizzando inizialmente, per problemi economici, una sola nuova sonda e poi la gioia nel vedere la volontà di molti scienziati e politici di fabbricare anche le altre tre per ridisegnare il progetto come era in origine. Sonde poi lanciate con successo nel giugno del 2000 con un vettore russo Soyuz da Baikonur. Un ottimo libro destinato ad un’ampia platea nel quale però manca l’indice dei nomi nelle pagine finali. Avremmo voluto riportati in ordine alfabetico i singoli progetti o le persone citate lungo tutto il volume. Comunque decisamente un peccato veniale vista poi l’opera.