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martedì 12 maggio 2020

ELIOSFERA. ELIOGUAINA ed ELIOPAUSA . by Andreotti Roberto - INSA.

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Aggiornato il 12/05/2020

Eliosfera, Eliopausa  
ed Elioguaina



L'entrata dei Voyager nell'elioguaina.
L'eliosfera è divisa in due zone distinte.

Il vento solare viaggia ad una velocità di circa 400 km/s fino a quando non attraversa il cosiddetto termination shock, che si trova tra 80 e 100 UA dal Sole in direzione sopravvento, e fino a circa 200 UA dal Sole sottovento. (del mezzo interstellare).
Qui il vento rallenta drasticamente, aumenta di densità e temperatura e diviene più turbolento, formando una grande struttura a forma di uovo, conosciuta con il nome di elioguaina (in inglese heliosheath), la quale pare che si comporti come la coda di una cometa, e si estende verso l'esterno per altri 40 UA sul lato sopravvento, mentre si estende molto meno nella direzione opposta.
Entrambe le sonde Voyager 1, nel 2004, e Voyager 2, nel 2007, hanno superato il termination shock e sono entrate nell'elioguaina, e distano rispettivamente nel 2017, 127 e 104 UA dal Sole.
Dopo l'attraversamento del termination shock, il vento solare continua a fluire fino a raggiungere il limite esterno dell'eliosfera, l'eliopausa, oltre la quale inizia il mezzo interstellare, anch'esso pervaso di plasma.
La forma del limite esterno dell'eliosfera è probabilmente influenzata dalla dinamica dei fluidi determinata dalle interazioni con il plasma del mezzo interstellare, nonché dal campo magnetico solare, prevalentemente a sud. Al di là dell'eliopausa, a circa 230 UA, nel plasma interstellare si forma un'onda d'urto stazionaria (bow shock), dovuta al moto del Sole attraverso la Via Lattea.
Nel 2012 la sonda spaziale Voyager 1, lanciata dalla NASA, ha attraversato l'eliopausa, scoprendo che è il "confine del sistema solare", quindi possiamo dire che il campo magnetico del Sole ha come limite questo punto dallo spazio interstellare.
Osservando le varie oscillazioni dell'ago della bussola interna della sonda si è appreso che col passare dei tempi molteplici strati magnetici del Sole si sono accumulati e perfino intrecciati tra loro, creando bolle magnetiche.
L'eliopausa è molto importante per la nostra stessa sopravvivenza, poiché, con l'enorme energia magnetica accumulata nel tempo, ci protegge da nocivi raggi cosmici.
Una squadra finanziata dalla NASA ha sviluppato il concetto di una "Vision Mission" dedicato all'invio di una sonda nell'Eliosfera.

Voyager 1 ha superato l'eliopausa intorno al 25 agosto 2012 a una distanza di 121,7 UA dal sole.
I dispositivi di misurazione hanno registrato un drammatico calo della velocità di conteggio delle particelle solari di oltre un fattore di 100 e un aumento significativo della radiazione cosmica ad alta energia.
Voyager 2 ha raggiunto dell'eliopausa il 5 novembre 2018 ad una distanza di 119,0 AE. Lo spettrometro al plasma ha registrato un forte calo della velocità delle particelle solari.
Nella direzione radiale (fuori dal sistema solare) il vento solare è stato fermato completamente.


Nel grafico qui sotto in evidenza il passaggio nel mezzo interstellare tra 118 e 122 UA ).


La forma dell'Eliosfera:
Pare che il sistema solare sia circondato da un enorme campo magnetico di forma sferica dovuto alla presenza del Sole. A suggerirlo sono i dati raccolti dalla missione Cassini, dalle due sonde Voyager e dal satellite Interstellar Boundary Explorer (Ibex).

I risultati sono in contraddizione con la teoria attualmente più accreditata, secondo cui la magnetosfera solare ha una forma oblunga, simile alla scia di una cometa.
Il colpevole sarebbe il campo magnetico interstellare, molto più intenso di quanto previsto.
Per oltre 50 anni il dibattito circa la forma di questa struttura ha favorito l’ipotesi di una bolla di forma allungata, con una testa arrotondata e una coda.
I nuovi dati coprono un intero ciclo di attività solare (11 anni circa) e mostrano che la realtà potrebbe essere molto diversa: l’eliosfera sembra avere entrambe le estremità arrotondate, assumendo una forma quasi sferica.

Oltre a esplorare Saturno e il suo sistema di anelli e satelliti, la sonda Cassini ha studiato anche il comportamento del vento solare, indagando in particolare ciò che accade alle sue estremità. Quando le particelle cariche provenienti dal Sole incontrano gli atomi di gas neutro del mezzo interstellare, lungo la vasta area di confine chiamata eliopausa, possono avvenire scambi di cariche, e alcuni atomi possono essere spinti verso il sistema solare e venire misurati da Cassini.
Poiché le particelle che compongono il vento solare viaggiano a velocità pari a frazioni della velocità della luce, i loro tragitti dal Sole all’eliopausa richiedono anni. Con il variare del numero di particelle, ovvero con la modulazione dovuta all’attività solare, occorrono anni perché questa si rifletta nella quantità di atomi misurati da Cassini.
I dati recenti hanno mostrato qualcosa di inaspettato: le particelle provenienti dalla “coda” dell’eliosfera riflettono i cambiamenti del ciclo solare in modo molto simile a quelle provenienti dalla sua “testa”.

I dati raccolti dalle sonde Voyager hanno inoltre mostrato che il campo magnetico interstellare è più intenso rispetto alle stime fornite dai modelli. Questo significa che la forma arrotondata dell’eliosfera potrebbe essere dovuta all’interazione del vento solare con questo campo magnetico, che spingerebbe l’eliopausa verso il Sole. La struttura dell’eliosfera svolge un ruolo importante nel modo in cui le particelle provenienti dallo spazio interstellare, chiamate raggi cosmici, raggiungono il sistema solare interno, arrivando fino alla Terra.

APPROFONDIMENTO TECNICO:
http://www.treccani.it/enciclopedia/vento-solare-ed-eliosfera_(Enciclopedia-del-Novecento)/

Attraverso le misurazioni dei Voyager 1 e 2 , abbiamo misurato le diverse reazioni dello spazio interstellare al vento solare:
I veicoli spaziali Voyager 1 e 2 hanno, per la prima volta, studiato l’area esterna del Sistema Solare, nota anche come la regione dell’Eliosfera.
Tali misurazioni hanno consentito agli scienziati di calcolare la ''pressione'' esercitata dallo spazio esterno su questa vasta zona, attraverso l’attività Solare.
In pratica la nostra stella rilascia periodicamente esplosioni di particelle, note anche come espulsioni di massa coronale, che viaggiano nello spazio fino a raggiungere l’Eliosfera, dove si fondono in un unico ”fronte” che crea in pratica una gigantesca bolla magnetica. Appena uno di questi flussi ha raggiunto l’eliosfera nel 2012, ed è stata individuata da Voyager 2.
L’onda ha causato la riduzione temporanea del numero di raggi cosmici galattici, ovvero le radiazioni provenienti dallo spazio profondo rivelate dalla sonda.

Quattro mesi dopo, abbiamo visto una riduzione analoga delle osservazioni da parte del Voyager 1, che si trova proprio oltre il confine del Sistema Solare, nello spazio interstellare.
Conoscere la distanza tra i veicoli spaziali e la loro posizione, ha permesso di calcolare la pressione di radiazione nell’eliosfera e la diversa mutazione di tali raggi cosmici galattici nelle diverse zone in cui viaggiavano i veicoli spaziali.
Se nell’area di Voyager 2 che si trova ancora all’interno dell’eliosfera, la densità di raggi cosmici è diminuita in tutte le direzioni, per il Voyager 1,che ormai si trova al di fuori del Sistema Solare, abbiamo notato una diminuzione dei soli raggi cosmici galattici che viaggiavano perpendicolari al campo magnetico in quella regione.
Questa asimmetria suggerisce che qualche fenomeno accade mentre l’onda attraversa il confine del Sistema Solare. Ma il perché di questo cambiamento nei raggi cosmici tra la parte interna ed esterna dell’eliosfera rimane tuttora un mistero. Tenendo presente che il Voyager 2 si trovava nell’eliosfera e che il Voyager 1 era già fuori dal Sistema Solare, gli esperti collegano la differenza osservata a un tipo di fenomeno, ancora sconosciuto, che si produce nel momento in cui l’onda attraversa il limite del Sistema Solare.
Ulteriori studi sono in atto per comprenderne le dinamiche.


New Horizons conferma che il vento solare rallenta più lontano dal Sole:
La ricerca potrebbe aiutare a prevedere quando i veicoli spaziali attraverseranno lo shock di terminazione.
Le misure prese dallo strumento Solar Wind Around Pluto (SWAP) a bordo del veicolo spaziale New Horizons della NASA stanno fornendo importanti nuove intuizioni da alcune delle aree più lontane mai esplorate. In un articolo pubblicato di recente su The Astrophysical Journal, gli scienziati di New Horizons mostrano come il vento solare - il flusso supersonico di particelle cariche espulso dal Sole - si evolva a distanze crescenti dal Sole.
"In precedenza, solo le missioni Pioneer 10 e 11 e Voyager 1 e 2 hanno esplorato il sistema solare esterno e l'eliosfera esterna, ma ora New Horizons lo sta facendo con strumenti scientifici più moderni", ha affermato Heather Elliott, scienziata del Southwest Research Institute, vice investigatore principale dello strumento SWAP e autore principale dell'articolo. "L'influenza del nostro Sole sull'ambiente spaziale si estende ben oltre i pianeti esterni e SWAP ci sta mostrando nuovi aspetti di come l'ambiente cambia con la distanza."

Il vento solare riempie una regione di bolle simile allo spazio che abbraccia il nostro sistema solare, chiamato eliosfera. A bordo di New Horizons, SWAP raccoglie misurazioni quotidiane dettagliate del vento solare e altri componenti chiave chiamati "ioni di raccolta interstellare" nell'eliosfera esterna. Questi ioni di raccolta interstellare vengono creati quando materiale neutro proveniente dallo spazio interstellare entra nel sistema solare e viene ionizzato dalla luce del sole o dalle interazioni di scambio di carica con gli ioni di vento solari.
Il viaggio che New Horizons sta compiendo attraverso l'eliosfera esterna contrasta con quello di Voyager poiché questo ciclo solare è mite rispetto al ciclo solare molto attivo esplorato durante il passaggio di Voyager attraverso l'eliosfera esterna. Oltre a misurare il vento solare, SWAP è estremamente sensibile e misura simultaneamente i bassi flussi di ioni di raccolta interstellare con una risoluzione temporale senza precedenti e un'ampia copertura spaziale. Attualmente, New Horizons è l'unico veicolo spaziale nel vento solare oltre Marte e, di conseguenza, l'unico veicolo spaziale che misura l'interazione tra il vento solare e il materiale interstellare nell'eliosfera esterna.

Mentre il vento solare si sposta più lontano dal Sole, incontra una quantità crescente di materiale dallo spazio interstellare. Quando il materiale interstellare viene ionizzato, il vento solare raccoglie il materiale e, i ricercatori hanno teorizzato, rallenta e riscalda in risposta. SWAP ha ora rilevato e confermato questo effetto previsto.
Il team SWAP ha confrontato le misurazioni della velocità del vento solare di New Horizons da 21 a 42 unità astronomiche con le velocità a 1 UA di entrambe le navicelle spaziali Advanced Composition Explorer (ACE) e Solar TErrestrial RElations Observatory (STEREO). (Un'unità astronomica, o UA, è uguale alla distanza tra il Sole e la Terra.) A 21 UA, sembrava che SWAP potesse rilevare il rallentamento del vento solare in risposta alla raccolta di materiale interstellare. Tuttavia, quando New Horizons ha viaggiato oltre Plutone, tra 33 e 42 UA, il vento solare ha misurato il 6-7% più lentamente rispetto alla distanza di 1 UA, confermando l'effetto.

Oltre a confermare il rallentamento del vento solare a grandi distanze, la variazione della temperatura e della densità del vento solare potrebbe anche fornire un mezzo per stimare quando New Horizons si unirà al veicolo spaziale Voyager sull'altro lato dello shock di terminazione, il segno di confine dove il vento solare rallenta a meno della velocità del suono mentre si avvicina al mezzo interstellare. Voyager 1 ha attraversato lo shock di cessazione nel 2004 a 94 UA, seguito da Voyager 2 nel 2007 a 84 UA. Sulla base degli attuali livelli più bassi di attività solare e delle pressioni del vento solare più basse, si prevede che lo shock di terminazione si sia avvicinato al Sole dagli attraversamenti di Voyager.
Estrapolare le attuali tendenze nelle misurazioni di New Horizons indica anche che lo shock di terminazione potrebbe ora essere più vicino di quando è stato intersecato da Voyager. Al più presto, New Horizons raggiungerà lo shock di terminazione a metà del 2020. All'aumentare dell'attività del ciclo solare, l'aumento della pressione probabilmente espanderà l'eliosfera. Ciò potrebbe spingere lo shock di terminazione nella gamma 84-94 AU trovata dal veicolo spaziale Voyager prima che New Horizons abbia il tempo di raggiungerlo.

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A cura di Andreotti Roberto.


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