Eredità scientifica


In luce visibile – cioè la luce che filtra attraverso l’atmosfera terrestre e a cui sono sensibili i nostri occhi – dallo spazio la corona solare si può osservare fino a decine di raggi solari dal lembo del Sole. Attraverso questa luce possiamo coglierne la forma e tracciare l’evoluzione delle sue strutture che sono modellate dal campo magnetico. Sporadicamente ne possiamo osservare i violenti transienti e le gigantesche eruzioni la cui frequenza è legata al livello di attività solare.

Da due decenni, grazie all’introduzione di nuove tecniche di spettroscopia ultravioletta, siamo anche finalmente in grado di osservare la nascita e l’accelerazione del vento solare che è il risultato dell’espansione della corona. Infatti, seguendo un’idea di Giancarlo Noci, dell’Università di Firenze, negli anni novanta è stato realizzato e lanciato un coronografo-spettrometro, l’Ultraviolet Coronagraph Spectrometer (UVCS), uno degli strumenti più innovativi del Solar Heliospheric Observatory — SOHO (ESA-NASA). UVCS ha permesso di analizzare spettroscopicamente la corona solare ultravioletta fino ai suoi strati più esterni, scoprendo le regioni in cui viene accelerato il vento solare e ha permesso di individuare quali siano i più probabili processi di deposizione di energia che sospingono il vento, differenziandolo tra vento veloce (800 chilometri al secondo) e vento lento (400 chilometri al secondo). L’osservatorio spaziale SOHO è stato lanciato nel 1995 ed è tuttora operante.

Lo spettrometro di UVCS, durante i test funzionali presso l’Alenia Spazio di Torino, prima dell’integrazione nel coronografo.

UVCS, lo strumento di grandi dimensioni in alto a destra, al termine dell’integrazione nel modulo del carico scientifico di SOHO ESA, presso la Matra-Marconi, Tolosa. SOHO è stato lanciato nel dicembre 1995 ed è tuttora operante.

UVCS è stato realizzato grazie alla collaborazione tra la comunità solare italiana (nucleo trainante: Università di Firenze, di Padova e di Torino) e l’ Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA, ed è stato finanziato dalla NASA e dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI).

La solida eredità di competenze e conoscenza maturata nella realizzazione di UVCS è alla base dell’ideazione di Metis, che sarà il primo coronografo spaziale multi-banda. Cioè Metis sarà capace di ottenere immagini coronali simultanee sia in luce visibile sia in luce ultravioletta, ed in particolare nelle riga della Lyman α, 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 da G. Noci, e nel tempo affinate dal team di UVCS per la misura della velocità del vento solare.


Coronografia spaziale

Le quattro decadi di coronografia spaziale che precedono Metis hanno portato a grandi progressi nella fisica della corona solare.

Il coronografo in luce bianca (High Altitude Observatory, HAO, US) di Skylab ha osservato per la prima volta un’eruzione di massa coronale (Coronal Mass Ejection, CME) e la sua propagazione tra 1.5 e 6.0 raggi solari dal centro del disco (1973-1974).

La ricerca sulle proprietà fisiche delle eruzioni coronali è continuata con il coronografo in luce bianca (Naval Research Laboratory, NRL, US) della missione P78-1, lanciata nel 1979, ed il coronografo (1.6-6.0 raggi solari) del HAO, a bordo della Solar Maximum Mission,lanciata nel 1980.

Le maggiori conquiste in campo coronografico avvengono dagli anni novanta ad oggi per merito dell’insieme di coronografi lanciati a bordo di SOHO, , nel 1995.

L’insieme dei coronografi che compongono LASCO (NRL) di SOHO hanno permesso di osservare con continuità la corona tra 2 e 30 raggi solari e di registrare senza interruzioni, dal punto Lagrangiano L1, la sua attività dal 1996. I contributi maggiori sono stati ottenuti nello studio della propagazione e dell’evoluzione delle eruzioni coronali oltre 2 raggi solari. L’alta sensibilità degli strumenti e la continuità nell’osservazione hanno permesso di registrare in modo sistematico le deboli eruzioni ad alone, che sono quelle dirette verso la Terra, per cui possono avere effetti drammatici quando si scontrano con la nostra magnetosfera. I coronografi di LASCO hanno anche contribuito alla fisica del vento solare lento studiato attraverso traccianti coronali.

Eruzione coronale ad alta latitudine osservata, tra 3 e 30 raggi solari, dal coronografo LASCO C3 di SOHO.

Dopplergramma di UVCS (rosso e blu) che evidenzia moti elicoidali in un’eruzione coronale osservata da LASCO C2 di SOHO.

Il coronografo spettrometro UVCS (NASA, ASI), precursore di Metis, ha eseguito le prime misure spettroscopiche in UV della corona esterna, riuscendo così a misurare direttamente la velocità di espansione della corona attraverso le tecniche di Doppler dimming. UVCS ha scoperto che, nelle zone coronali dove il vento solare viene accelerato, gli ioni e i protoni sono accelerati in modo differente, e che ioni e protoni fluiscono verso l’eliosfera a velocità differenti. Allo stesso tempo ha trovato forti anisotropie nella distribuzione di velocità degli ioni dell’ossigeno in direzione perpendicolare al campo magnetico coronale, dovute ai processi di deposizione di energia in corona, e ha individuato forti anomalie nell’abbondanza degli ioni. La spettroscopia ultravioletta delle eruzioni solari ha fatto comprendere alcuni aspetti della propagazione del fronte d’urto del plasma eruttivo ed ha permesso di ricostruire la struttura di velocità e di temperatura del plasma nelle eruzioni coronali.

Un passo ulteriore nello studio delle eruzioni solari è stato possibile grazie ai coronografi SECCHI della missione STEREO, lanciata nel 2006. STEREO è costituita da due sonde che muovendosi lungo l’orbita terrestre vedono la corona da prospettive diverse, per poter ricostruire la struttura a 3 dimensioni delle eruzioni coronali e della corona. I coronografi di STEREO permettono imaging e stereoscopia in luce visibile polarizzata da 1.5 raggi solari in corona fino all’eliosfera interna.

Le due sonde di STEREO che osservano la corona da angolature diverse.


Storia della coronografia spaziale

1930 B. Lyot inventa il coronografo a occultamento interno, pensato per osservatori in alta quota.
1948 J. Evans inventa il coronografo a occultamento esterno (externally occulted solar aureola photometer).
1960 G. Newkirk e I. Eddy effettuano il primo esperimento coronografico su pallone stratosferico, 25 km sul livello del mare. L’occultatore era costituito da un solo disco. L’immagine della corona fu sovrastata dalla luce diffusa.
1963 Mediante un coronografo fotografico compatto installato su un razzo sonda per una missione sub-orbitale, il gruppo del Naval Research Laboratory (NRL) guidato da R. Tousey ottiene la prima storica immagine della corona estesa non in coincidenza con una eclisse di Sole. Il coronografo usava un occultatore esterno a dente di sega.
1964 Il gruppo del High Altitude Observatory (HAO), guidato da D. Bohlin e G. Newkirk, ottiene la prima immagine della corona estesa con un coronografo occultato esternamente mediante un sistema a 3 dischi. Il “Coronascope II” vola su un pallone aerostatico.
1965 NRL effettua il primo tentativo spaziale per un coronografo compatto con occultamento esterno a 3 dischi, sul satellite OSO-2.
1967 Prima osservazione della corona IR (R.M. MacQueen) con un coronografo a triplo occultatore esterno lineare e fotometro a scansione IR, trasportato da un pallone aerostatico.
1967‑1968  Il gruppo francese guidato da A. Dollfus ottiene foto della corona intermedia usando una pellicola sensibile al vicino IR e un coronografo con occultatore esterno a dente di sega, su pallone aerostatico.
1963‑1972 Vengono lanciati con successo diversi razzi sonda dal gruppo NRL. A bordo sono installati due coronografi montati a specchio per superare il problema dovuto al vignettamento del sostegno dell’occultatore.
1971‑1974 Prime osservazioni ininterrotte della corona mediante il coronografo NRL montato sul satellite OSO-7. Il rivelatore è un SEC Vidicon. Si osserva per la prima volta un’ eruzione coronale (Coronal Mass Ejection, CME) indotta da un brillamento.
In questo contesto ci preme ricordare Dave Roberts, uno dei tecnici che partecipò alla missione e che contribuì a tutte le missioni solari NRL da allora fino al recente lancio di HERSCHEL/SCORE, il prototipo di Metis (vedi più avanti). Ha sempre sostenuto di essere stato il primo uomo a osservare una CME e di aver pensato inizialmente a un’ anomalia del rivelatore. Dave ci ha lasciato nel 2014.
1973‑1974 Durante la missione Skylab operò il coronografo in luce bianca del HAO montato su ATM (Apollo Telescope Mount). Furono portate a Terra più di 35000 foto calibrate ad alta qualità.
1976 Primo successo per un coronografo sovietico su razzo sub-orbitale dell’Università di Kiev.
1976 Progetto di una nuova famiglia di coronografi leggeri occultati esternamente, in risposta a un bando per esperimenti da far volare sulla International Solar Polar out-of-ecliptic (OOE) Mission (ISPM).
1979‑1985 Lunga serie di osservazioni coronali effettuate con un coronografo NRL a bordo del satellite della difesa con orbita polare P-78-1. Furono scoperte le comete Sun-grazing.
1980 Inizio delle osservazioni con un coronografo di nuova generazione a bordo della sonda SMM (Solar Maximum Mission). Nel 1984, grazie alla prima missione spaziale per manutenzione in orbita, il coronografo viene riparato e reso nuovamente operativo. Continuerà a funzionare fino al 1989.
1993 Prime osservazioni della corona UV con la missione Spartan-201. La missione include un coronografo in luce bianca (il primo a implementare un CCD come rivelatore) e un prototipo di SOHO/UVCS (vedi più avanti).
1995 Lancio della missione SOHO Solar and Heliospheric Observatory). Si tratta di un osservatorio spaziale che orbita intorno al punto lagrangiano L1 e quindi in grado di osservare il Sole con continuità. A bordo si trovano, fra gli altri, 3 coronografi in luce bianca (LASCO/C1, C2 e C3) e il Ultraviolet Coronagraph Spectrometer (UVCS). LASCO C2 e C3 sono ancora in funzione.
2006 Lancio della missione STEREO (Solar TErrestrial RElations Observatory), costituita da due satelliti quasi identici con orbita diversa: uno che anticipa la Terra, l’altro che la segue. Ha fornito la prima immagine stereoscopica del Sole. A bordo di entrambi, fra gli altri strumenti, ci sono due coronografi in luce bianca (Cor-1 e Cor-2) e un telescopio eliosferico (Heliospheric Imager, HI).
2009 Viene lanciato con successo il razzo sonda con a bordo la missione HERSCHEL (HElium Resonant Scattering in the Corona and HELiosphere). Del carico scientifico fanno parte un coronografo dedicato all’osservazione della corona nella riga HeII 30.4 nm (HeCor) e un prototipo del coronografo Solar Orbiter/Metis (SCORE, Sounding CORonagraph Experiment), in grado di effettuare immagini multibanda della corona esterna (visibile, HI LyA 121.6 nm e HeII 30.4 nm). La missione ha fornito la prima mappa globale della corona solare nella riga HeII.

Molte notizie qui riportate sono derivate da S. Koutchmy, Space Science Reviews 47, 95-143, 1988.