MATERIA OSCURA SUL SOLE? TELESCOPIO NASA REGISTRA ONDE ELETTROMAGNETICHE ANOMALE


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Quantum Magazine, 1 Maggio

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Si pensa che le radiazioni provenienti dal Sole siano determinate dall’interazione dei raggi cosmici con il suo campo magnetico e dalla collisione con le molecole di gas che ne circondano la superficie. Una teoria che deve fare i conti, però, con il segnale dei raggi gamma registrato dal telescopio spaziale Fermi della NASA. Un decennio di osservazioni astronomiche ha rivelato, infatti, un loro comportamento inaspettato e misterioso: i raggi gamma, le onde di luce a più alta frequenza che si conoscano, s’irradiano dal Sole con una potenza e un’intensità sette volte superiore a quanto previsto. Oltre a questo eccesso, ancora più strana è la loro curiosa assenza in una stretta banda di frequenze .“Caratteristiche che mostrano aspetti del campo magnetico del Sole inesplorati e che potrebbero nascondere una fisica del tutto nuova”, ha dichiarato Brian Fields, astrofisico delle particelle presso l’Università dell’Illinois. Mano a mano che i dati di Fermi si sono accumulati, sono stati registrati altri dettagli e i misteri si sono moltiplicati.

Telescopio spaziale Fermi
(NASA/Goddard Space Flight Center)

Abbiamo continuato a rilevare dati sorprendenti - ha aggiunto Annika Peter della Ohio State University, coautrice di un recente libro bianco che riassume gli 11 anni di scoperte sui raggi gamma solari - il segnale  non solo è molto più forte di quanto previsto da una teoria vecchia di decenni, ma si estende anche verso frequenze molto più alte e varia inspiegabilmente durante il ciclo solare”, ha spiegato. A complicare il quadro, l’assenza di raggi gamma nelle frequenze attorno ai 10 miliardi di miliardi di hertz, che i ricercatori chiamano “buco”. “Sfugge a ogni logica e ci mostra un aspetto del Sole che non conoscevamo assolutamente”, ha precisato Tim Linden, astrofisico dell’Ohio State che ha analizzato il segnale.

campo magnetico del Sole: verde polarità positiva - viola polarità negativa
(NASA’s Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studios)

Gli scienziati non pensano che il Sole emetta raggi gamma dal suo interno. Quelli generati dalla fusione del suo nucleo sono, infatti, depotenziati e trasformati in luce durante il processo di diffusione. Nel 1991, i fisici David Seckel, Todor Stanev e Thomas Gaisser dell’Università del Delaware, ipotizzarono che il Sole avrebbe potuto emettere raggi gamma perché stimolato dai raggi cosmici, protoni provenienti dallo spazio, proiettati nel sistema solare dalle onde d’urto di supernove o da altre esplosioni: “...di tanto in tanto un raggio cosmico in discesa verso il Sole potrebbe essere ributtato indietro dal suo vorticoso e tortuoso campo magnetico”, argomentavano i tre ricercatori. “Immaginate che il protone si diriga dritto verso una sfera e all’ultimo secondo cambi direzione e ritorni contro di voi; ma mentre procede verso l’esterno, il raggio cosmico si scontra con il gas dell’atmosfera solare e si trasforma in una raffica di radiazioni gamma”, ha spiegato John Beacom, professore  dell’Ohio. In base alla velocità con cui i raggi cosmici entrano nel sistema solare, alla forza stimata del campo magnetico del Sole, alla densità della sua atmosfera e ad altri fattori, Seckel e i suoi colleghi avevano calcolato che il processo di riflessione all’indietro avrebbe avuto un'efficienza approssimativa dell’1%. Sulla scorta di tali calcoli avevano stimato una debole emissione di raggi gamma. 

Eppure il telescopio Fermi ha rilevato, in media, una quantità di raggi gamma provenienti dal disco solare sette volte superiore di quanto previsto da questa teoria. E il segnale diventa fino a 20 volte più forte del previsto per i raggi gamma alle frequenze più alte. “Abbiamo scoperto che il processo è coerente con un’efficienza del 100 per cento alle alte energie - ha affermato Linden - e che ogni raggio cosmico che entra viene riflesso. Questo è sconcertante, perché i raggi cosmici più energetici dovrebbero essere i più difficili da riflettere”. Inoltre il modello di Seckel, Stanev e Gaisser non parla assolutamente di un “buco”, anche perché è difficile solo ipotizzarne uno così preciso come quello registrato nello spettro dei raggi gamma solari partendo dall’ipotisi di formazione sulla spinta dei raggi cosmici, che hanno uno spettro di energie uniforme. “È molto più facile ottenere gobbe che buchi. Ciò che esce dal Sole teoricamente è un canale ‘ extra', positivo. Com’è possibile ottenere un canale negativo?”, ha ribadito Linden. Forse il forte brillamento di raggi gamma riflette una fonte diversa da quella dei raggi cosmici indicati. I fisici fanno fatica a immaginare quale possa essere. Sospettano, però, che il nucleo del Sole possa ospitare materia oscura e che le particelle di materia oscura, dopo essere state trascinate e intrappolate dalla gravità, possano essere abbastanza dense da annichilirsi a vicenda.

campi magnetici del Sole catturati dal Solar Dynamics Observatory
(NASA/SDO/AIA/LMSAL)
Un gruppo di ricercatori, in uno studio pubblicato su Physical Review Letters nel 2015 , aveva proposto un nuovo modello secondo il quale la materia oscura, con alcune proprietà specifiche (detta asimmetrica), si accumulerebbe nel nucleo solare influenzando il trasporto del calore all'interno del Sole. Inoltre essa potrebbe modificare, sia le proprietà "meccaniche", studiate con la cosiddetta "eliosismologia", sia il flusso di neutrini emessi. Secondo Aaron Vincent della Durham University in Gran Bretagna e i suoi colleghi dell’Imperial College di Londra e dell’Istituto di Scienze Spaziali in Spagna, il modello standard del Sole, derivato dalle misure della luminosità solare e da altri dati osservativi, non corrisponde alle osservazioni eliosismologiche che permettono di misurare la velocità delle onde di pressione che si propagano all’interno del Sole, la profondità dell’inviluppo convettivo e il flusso di neutrini. Per risolvere le discrepanze tra la teoria e le osservazioni, i ricercatori hanno cercato di vedere se esistono dei modi alternativi, e più efficienti, con cui il calore può raggiungere la superficie del Sole a partire dal suo nucleo. Una possibilità è che l’astro possa "contenere in qualche modo la materia oscura, intrappolata, grazie alle collisioni e ad effetti di cattura gravitazionale, man mano che essa passa attraverso l’alone galattico". In questo modo, sarebbe la materia oscura a trasportare il calore dal nucleo fino agli strati esterni, e più freddi, del Sole. 

Il telescopio Fermi ha rilevato molti più raggi gamma durante il minimo solare, la fase del ciclo di 11 anni del Sole in cui il suo campo magnetico è più calmo e più ordinato. “Questo è ragionevole e in linea con l’ipotesi dei raggi cosmici quale sorgente primaria - dicono gli esperti - perché durante il minimo solare, più raggi cosmici possono raggiungere il campo magnetico vicino alla superficie del Sole ed essere riflessi, invece che deviati precocemente dal groviglio turbolento delle linee di campo che pervade il sistema solare interno in altre fasi. È anche vero, però - spiegano - che i raggi gamma rilevati diminuiscono in funzione della frequenza, con un tasso diverso dai raggi cosmici. Se i raggi cosmici sono la sorgente, ci si aspetterebbe che i due tassi corrispondano”. Eppure non è così! Secondo Joe Giacalone, fisico dell’eliosfera dell’Università dell’Arizona, il segnale ci sta dicendo qualcosa di fondamentale sulla struttura magnetica del Sole: "Nella corona, la sottile sacca di plasma che circonda il Sole, il campo generato dal turbinante gorgo di particelle cariche al suo interno, probabilmente è più forte e orientato in modo diverso rispetto a quanto pensavamo”. Tuttavia, osserva “il campo magnetico coronale dovrebbe essere forte solo in prossimità della superficie solare, in modo da non riflettere i raggi cosmici troppo presto, prima che siano entrati nella zona in cui l’atmosfera è abbastanza densa da provocare collisioni. Durante il minimo solare il campo magnetico dovrebbe diventare più forte in prossimità del suo equatore”. Questi nuovi indizi sulla struttura del campo magnetico potrebbero aiutare a svelare l’annoso mistero del ciclo solare. Ogni 11 anni, infatti, tutto il campo magnetico del Sole s'inverte: “Abbiamo il Sud al posto del Nord e il Nord del Sud - dice Igor Moskalenko, scienziato dell’Università di Stanford - è un cambiamento spettacolare.  Attualmente nessuno sa perché osserviamo questo cambiamento di polarità e perché è così periodico. I raggi cosmici e il modello dei raggi gamma che produce possono darci una risposta in merito”.

(J. Goodman/HAWC Collaboration)Ma non ci sono ancora ipotesi su come il campo magnetico del Sole possa creare il “buco” nello spettro dei raggi gamma a 10 miliardi di miliardi di hertz. È una caratteristica così insolita che alcuni esperti dubitano che sia reale. Ma se l’assenza di raggi gamma intorno a quella frequenza fosse dovuta a un errore di calcolo o a un problema di strumentazione di Fermi, nessuno ne ha capito la causa. Quando Peter, Linden, Beacom e i loro collaboratori hanno trovato il “buco” nei dati di Fermi lo scorso anno, si sono impegnati a fondo per eliminarlo prima di pubblicare la loro scoperta. Non sembra essere detreminato da alcun difetto strumentale”, dice Elena Orlando, astrofisica di Stanford e membro del team di Fermi. “Nell’appendice - sottolinea - ci sono 15 pagine con i vari test che abbiamo effettuato per vedere se stavamo facendo male i calcoli. Statisticamente, il buco appare in modo molto evidente”. Tuttavia, Orlando ha sottolineato che il movimento del Sole rende l’analisi dei dati molto impegnativa. Lei ne sa qualcosa: fu lei, insieme a un altro collaboratore, a scoprire il flusso di raggi gamma provenienti dal Sole per la prima volta nel 2008 utilizzando il satellite EGRET, il predecessore di Fermi. A suo avviso, saranno necessari più dati e analisi per confermare che il “buco” nello spettro è reale. Per raccogliere nuovi dati, insieme a Fermi sarà attivato l'HAWC (High Altitude Water Cherenkov), nel Parco Nazionale Pico de Orizaba in Messico. Un osservatorio in grado di rilevare raggi gamma a frequenze più elevate di Fermi e di tracciarne il segnale con più precisione. Gli scienziati sono ansiosi di vedere se la distribuzione spaziale dei raggi gamma è cambiata rispetto a 11 anni fa, perché se i raggi cosmici rimangono carichi positivamente, i poli del Sole si sono invertiti.