Il telescopio solare europeo EST, il più grande del mondo con una ampiezza di 4 metri, dovrebbe entrare in funzione nel 2029, grazie all’impegno anche economico di ben diciotto paesi europei. Il Sole viene considerato la stele di Rosetta dell’astronomia, proprio perché essendo la stella a noi più vicina, la sua osservazione ci permette di cogliere dei fenomeni e dei dettagli che per le altre stelle sono ancora molto lontani dall’essere osservati. Per scoprire quali sono le sfide in campo per l’osservazione e lo studio del Sole abbiamo intervistato Francesca Zuccarello, professoressa associata all’università di Catania, dove tiene gli insegnamenti di Solar Physics e Magnetohydrodynamics and Plasma Physics. Attualmente la professoressa Zuccarello è delegata alla Didattica del Dipartimento di Fisica e Astronomia “Ettore Majorana” dell’Università di Catania, responsabile nazionale del progetto European Solar Telescope e membro del Comitato Scientifico del Rosseland Center for Solar Physics dell’Università di Oslo.
L’attività di ricerca della professoressa Zuccarello riguarda lo studio dei fenomeni magnetici che avvengono nell’atmosfera solare e le interazioni del plasma magnetizzato con l’ambiente circumterrestre.
Professoressa Zuccarello, lei è responsabile nazionale del progetto EST (European Solar Telescope), a che punto siamo? Quali sono attualmente i principali ostacoli da superare?
Il progetto European Solar Telescope (EST) prevede la realizzazione di un telescopio solare Europeo dotato di uno specchio primario di circa 4 metri e di strumentazione caratterizzata da tecnologia di frontiera. La fase di progettazione di EST ha avuto inizio nel 2008 e ha visto la collaborazione di numerosissimi ricercatori e tecnologi europei. Il piano di sviluppo attuale prevede che la costruzione del telescopio abbia inizio nel 2026 e si concluda entro il 2029, quando il telescopio “vedrà la prima luce”.
Nel corso degli ultimi anni, sono state individuate le caratteristiche principali della struttura e della strumentazione e sono state trovate le soluzioni a diverse problematiche connesse al passaggio di scala dai telescopi solari attualmente operanti (con uno specchio primario di circa 1 metro) ai 4 metri di EST. Attualmente i principali ostacoli da superare sono essenzialmente di natura economica: si stima che il costo della realizzazione di EST sia di circa 185 milioni di euro e i partner coinvolti (appartenenti a 18 nazioni Europee) si stanno adoperando per garantire le proprie quote.
Una volta entrato in funzione, quale supporto EST potrebbe dare alla ricerca?
Il supporto che EST potrà dare alla ricerca è intrinsecamente legato alla sua principale caratteristica: EST permetterà infatti di risolvere, cioè di distinguere, in fotosfera, scale pari al cammino libero medio dei fotoni – 25-30 km- e di derivare il vettore di campo magnetico con accuratezze mai raggiunte in ambito astrofisico. Questa capacità offrirà la possibilità unica di studiare processi fisici che non sono osservabili con pari risoluzione in altri oggetti astrofisici e non sono riproducibili in laboratorio o numericamente alle scale di interesse. Alcuni esempi che si possono citare sono i processi dinamo, la generazione e diffusione del campo magnetico, l’accelerazione di particelle nelle magnetosfere stellari, la riconnessione magnetica, la conversione di energia magnetica in cinetica, il confinamento magnetico, la convezione turbolenta, le instabilità e il riscaldamento del plasma.
Quali sono i settori in cui l’attività di EST potrebbe portare un valore aggiunto, anche al di fuori del mondo dell’astrofisica, con ricadute in campo scientifico e tecnologico, sociale e anche economico?
I settori in cui l’attività di EST potrebbe portare un valore aggiunto spaziano da una migliore comprensione dei processi magnetici in stelle simili al Sole e delle interazioni di queste con eventuali eso-pianeti orbitanti intorno ad esse, allo sviluppo di conoscenze che aiuterebbero a capire il comportamento magnetico di oggetti più “esotici”, quali i dischi di accrescimento intorno ai buchi neri. Da non trascurare inoltre i possibili sviluppi tecnologi e industriali rilevanti per le ricadute socio-economiche.
L’impatto sulle attività di esplorazione umana e robotica dello spazio o sullo studio della turbolenza nelle isole magnetiche associate ai brillamenti solari e l’analisi dei problemi di confinamento del plasma nei reattori a fusione. EST potrebbe rivestire un ruolo anche nella previsione del meteo spaziale: alcuni fenomeni solari, quali il vento solare, i brillamenti, le eruzioni di filamenti e i coronal mass ejection, possono influenzare le condizioni del meteo spaziale e avere ripercussioni su alcuni sistemi tecnologici di uso quotidiano. Penso ai sistemi GPS, reti di distribuzione di corrente elettrica, trasmissioni radio…
Come funziona un telescopio solare? Quale tipo di “immagini” può trasmettere del sole? Di quali immagini disponiamo finora?
Un telescopio solare raccoglie la luce del Sole utilizzando uno specchio – o una lente – e poi analizza questa luce, eventualmente suddividendola nelle diverse lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica per ottenere immagini, o spettri (cioè distribuzioni della radiazione in funzione della frequenza) o mappe del campo magnetico presenti nell’atmosfera solare. Un telescopio come EST, situato a Terra, sarà in grado di fornire queste informazioni nell’ambito della luce visibile e infrarossa.
La luce che possiamo osservare proviene dallo strato più esterno del Sole: l’atmosfera solare, suddivisa in Fotosfera, immagini dette in luce bianca, Cromosfera (immagini tipicamente acquisite in corrispondenza di una radiazione emessa dagli atomi di idrogeno) e Corona. Attualmente, grazie a osservazioni coordinate da Terra e dallo spazio, possiamo ammirare tutti e tre questi strati dell’atmosfera solare e studiare i diversi fenomeni, spesso di origine magnetica, che avvengono nella nostra stella.
Cosa potrebbe dirci EST, di nuovo, riguardo ai grandi enigmi della nostra stella?
Gli studiosi di Fisica Solare che in questi anni hanno lavorato alla progettazione di EST hanno l’obiettivo di dare una risposta alle seguenti domande: come evolve il campo magnetico e quali sono i meccanismi di emersione del campo magnetico sulla superficie solare? Quali sono i meccanismi di trasporto dell’energia dalla Fotosfera alla Cromosfera? Con quali modalità l’energia viene depositata negli strati superiori dell’atmosfera solare? Perché il Sole ha una corona a temperatura più elevata degli strati sottostanti? Cosa provoca gli eventi esplosivi: flare, eruzione di filamenti, espulsioni di massa coronale?
Lei è professoressa di fisica solare all’università di Catania, riesce a spiegarci quali sono i processi basilari della fusione nucleare che avviene nella nostra stella, con una descrizione sintetica comprensibile anche ai non esperti?
Nella parte più interna del Sole, detta nucleo, la temperatura è di circa 15 milioni di gradi. A questa temperatura, i nuclei di idrogeno che è l’elemento chimico più abbondante nel Sole, si scontrano e riescono a fondersi, dando luogo alla formazione di un altro elemento: l’elio. Tuttavia, durante questo processo, c’è una parte della massa dei nuclei di idrogeno che viene trasformata in energia. Questa energia è veicolata sotto forma di raggi gamma, che poi viaggiano dall’interno del Sole verso la sua superficie, dopo una serie di interazioni con gli atomi che incontrano durante il loro percorso. Come conseguenza di queste interazioni, quando la radiazione arriva in superficie, non è più nel campo dei raggi gamma, ma diventa luce visibile.
I fenomeni magnetici del sole in cosa consistono e perché restano ancora così misteriosi?
I fenomeni magnetici che avvengono nel Sole -dalle macchie solari, facole, protuberanze, archi coronali, flare, espulsioni di massa coronale – esprimono diverse modalità di interazione di campi magnetici localizzati con il gas solare. Nelle macchie l’aspetto più evidente è legato al fatto che queste strutture sono più scure delle regioni circostanti perché la presenza di intensi campi magnetici inibisce il processo di trasporto di calore per convezione, per cui esse sono più fredde.
La luminosità di un corpo è correlata alla sua temperatura. Un aspetto del magnetismo solare che è ancora oggi oggetto di studio riguarda la periodicità di 11 anni dei fenomeni magnetici. La teoria dinamo, che fornisce una spiegazione della rigenerazione del campo magnetico, è in grado di descrivere diversi aspetti di tale meccanismo, ma rimangono ancora alcuni punti che necessitano ulteriori indagini: le osservazioni che sarà possibile effettuare con EST potrebbero fornire elementi importanti per chiarire questi punti ancora oscuri.
Comprendere meglio il funzionamento del sole con EST significa raccogliere dettagli fondamentali anche sulla nascita e l’evoluzione di ogni stella? Vi sono anche nella nostra galassia innumerevoli varietà di stelle, quali processi di base sono fattor comune con il nostro sole?
Il Sole viene considerato la stele di Rosetta dell’astronomia, proprio perché essendo la stella a noi più vicina, la sua osservazione ci permette di cogliere dei fenomeni e dei dettagli che per le altre stelle sono ancora molto lontani dall’essere osservati. Lo studio del Sole e dei pianeti del Sistema Solare ha permesso di costruire un modello evolutivo stella-pianeti, che può essere applicato anche ad altri sistemi stellari.
Inoltre, alcune ricerche fondamentali, quali ad esempio lo studio dei neutrini solari, ha consentito non solo di progredire nel campo della fisica delle particelle, ma anche di verificare che il modello di struttura interna del Sole, ed in particolare il tipo di reazioni di fusione nucleare che avvengono nel Sole, sono quelle che possono garantire una fase di stabilità della durata di 10 miliardi di anni. Questo tipo di risultati ha poi conseguenze su una migliore comprensione ed elaborazione dei modelli evolutivi delle altre stelle.
Lei ha realizzato un bellissimo focus, di grande impatto comunicativo, mettendo in relazione immagini astronomiche del sole con immagini artistiche, dall’epoca egizia ai nostri giorni. Risultano effettivamente delle somiglianze impressionanti tra le “immagini scientifiche” del sole e le rappresentazioni che gli artisti hanno dato della nostra stella nel corso dei secoli. Come è nata l’idea di fare questo confronto e quale significato le pare possa derivarne?
Le ricerche che ho condotto durante la mia carriera mi hanno dato la possibilità di lavorare sia con dati numerici che con immagini del Sole. La bellezza di queste immagini mi ha sempre affascinato e mi ha spesso dato la sensazione di poter godere dello spettacolo della natura in una delle sue forme più attraenti. Non di rado, ho avuto la sensazione, studiando le immagini dell’atmosfera solare e dei fenomeni che avvengono in questa regione, di essere di fronte ad un’opera d’arte e di sentirmi quindi ancora più fortunata perché potevo godere di questo spettacolo, a volte prima che altri potessero vederli o analizzarli.
Ho quindi cercato di fare una analogia fra le immagini che utilizzavo per le mie ricerche e i dipinti di artisti di epoche diverse. Con mia sorpresa, mi sono resa conto che era spesso possibile trovare delle analogie molto stringenti fra alcuni quadri e le immagini solari. Mi è sembrato quindi molto bello poter condividere queste analogie con amici o più in generale con persone interessate sia alla scienza che all’arte.
Se lei dovesse raccontare cos’è il sole ad un bambino cosa direbbe?
Quel cerchio giallo e luminoso che vedi in cielo è la nostra stella, che noi chiamiamo Sole. Il Sole, giorno dopo giorno, ci accompagna, dandoci luce e calore e favorendo il fiorire della vita nel nostro mondo. Il Sole brilla da un tempo lunghissimo – 5 miliardi di anni – e potrà continuare, ancora per altri 5 miliardi di anni, a garantire le condizioni che permettono la vita. E’ compito di tutti noi fare in modo che questa possibilità sia garantita anche alle generazioni future. Questo vuol dire che ognuno di noi deve impegnarsi a rispettare la natura e tutti gli esseri viventi che popolano il nostro pianeta. Sarebbe una grande sconfitta per tutta l’umanità, se un giorno il Sole dovesse illuminare un pianeta ormai desolato e inabitabile.
