BOULDER, COLORADO-Per tutto febbraio il sole è quasi immacolato, un cerchio liscio riempito con un pastello goldenrod. È passato più di un decennio da quando era così privo di macchie solari – nodi magnetici scuri grandi come la Terra che sono un barometro del temperamento del sole. Sotto la superficie, tuttavia, una transizione radicale è in corso. In 5 anni circa, il sole sarà inondato di macchie solari e più incline a violente esplosioni di attività magnetica. Poi, tra circa 11 anni, il ciclo solare si concluderà: Le macchie solari svaniranno e il sole tornerà ad essere tranquillo.
All’inizio di marzo, una dozzina di scienziati si recheranno al National Center for Atmospheric Research (NCAR) per prevedere quando il sole raggiungerà il suo picco, e quanto sarà indisciplinato. Mentre la luce si riflette sulla neve impigliata negli alberi e scorre attraverso le alte finestre di una sala conferenze, il Solar Cycle 25 Prediction Panel entra in azione. La NASA e la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) hanno sponsorizzato questi panel dal 1989, con l’obiettivo di capire cosa guida i cicli di 11 anni del sole e valutare i metodi per prevederli. Ma l’esercizio non è solo accademico: I militari, gli operatori satellitari e i servizi elettrici vogliono sapere cosa ha in serbo il sole, perché i brillamenti e le esplosioni di particelle cariche che segnano il massimo solare possono danneggiare le loro tecnologie.
Le macchie solari possono essere viste ad occhio nudo, ma non è stato fino alla metà del 1800 che gli astronomi hanno capito che vanno e vengono secondo un programma approssimativo. Appaiono prima alle medie latitudini e poi proliferano, migrando verso l’equatore nell’arco di circa 11 anni. Nel 1848, l’astronomo svizzero Johann Rudolf Wolf pubblicò un resoconto del record delle macchie solari, identificando il 1755-66 come “Ciclo 1”, il primo periodo in cui i conteggi erano affidabili. Ha poi creato una formula per contare il numero di macchie solari giornaliere – una tecnica alquanto soggettiva che si è evoluta in un metodo di conteggio usato oggi per sposare le serie di dati attraverso i secoli.
I cicli sono capricciosi, tuttavia. A volte, il sole si calma per decenni, con un conteggio anemico delle macchie solari per diversi cicli – come è accaduto durante il cosiddetto minimo di Dalton del 19° secolo. Tali variazioni sono ciò che gli scienziati del NCAR hanno raccolto per prevedere. Il problema è che nessuno – in questa stanza o altrove – sa davvero come funziona il sole. L’ultima volta che il panel si è riunito, nel 2007, i suoi scienziati hanno valutato decine di modelli e sono arrivati a una previsione che era tutt’altro che perfetta. Ha mancato il momento del massimo, aprile 2014, di quasi un anno, e anche la debolezza generale del ciclo passato. Questo panel, una lista di scienziati solari, non sa se farà meglio.
Mentre l’orologio del NCAR ticchetta verso l’ora di inizio, i panelisti siedono in un silenzio imbarazzante, stringendo le loro tazze di caffè compostabili. Sanno che cosa riservano i prossimi 4 giorni: lotte su fisica e intuizione, credenze e dati, correlazione e causalità. Le tensioni ombreggiano l’incontro: Scott McIntosh, direttore del NCAR High Altitude Observatory (HAO) qui, ha un ufficio sopra la sala riunioni e la sua visione non ortodossa di ciò che guida il ciclo solare e come prevederlo. Ma McIntosh, schietto e provocatorio, non è stato invitato a far parte del panel, anche se un collaboratore presenterà la ricerca dell’HAO.
Alle 8:30 del mattino, il serio leader del panel, Doug Biesecker – che lavora al Centro di Previsione Meteorologica Spaziale del NOAA qui e fa il pendolare in bicicletta indipendentemente dal tempo – dà il benvenuto a tutti al compito: ordinare i molti modelli e arrivare ad un consenso sul prossimo ciclo. “Il disordine che si ottiene dalla comunità deve essere sintetizzato in qualcosa che sia idealmente corretto”, dice Biesecker. “Ma come possiamo sapere cosa sarà corretto?”
Non possono.
Come a dimostrare il punto, 14 macchie solari a sorpresa appaiono, ribollendo sulla superficie che era stata così a lungo senza caratteristiche.
Anche nei suoi giorni più calmi, il sole è in agitazione. Alimentato dalla fusione nel suo nucleo, il sole è una palla di particelle calde e cariche, o plasma, che si agita costantemente, generando correnti elettriche che a loro volta inducono campi magnetici. Nel profondo del sole c’è una densa zona radiativa, dove i fotoni combattono lentamente la loro strada verso l’esterno. Ad un certo punto – nel terzo esterno del sole – il plasma si raffredda abbastanza da permettere la convezione, un movimento di ebollizione che porta l’energia verso la superficie. In questa zona, il sole ruota differentemente: più velocemente all’equatore che ai poli. I movimenti di taglio che ne derivano allungano e torcono i campi magnetici, rafforzandoli – un processo che in qualche modo influenza il ciclo di 11 anni. Le linee di campo aggrovigliate a volte irrompono attraverso la zona convettiva e sporgono dalla superficie, formando le macchie solari.
Il flusso e riflusso del sole influenza la Terra. La sua atmosfera superiore assorbe i raggi ultravioletti del sole, che diminuiscono leggermente al minimo solare. Questo fa sì che l’atmosfera si raffreddi e si restringa, riducendo l’attrito per i satelliti che volano bassi. Nei cicli solari calmi, gli operatori presumono che i loro satelliti rimarranno in orbita più a lungo – e poiché lo stesso vale per la spazzatura spaziale, il rischio di una collisione sale. Il campo magnetico del sole si indebolisce anche al minimo solare, il che rappresenta un’altra minaccia per i satelliti. Il campo indebolito respinge meno raggi cosmici galattici, particelle ad alta energia che possono capovolgere i bit nell’elettronica del satellite.
Al massimo solare, al contrario, il sole riscalda e gonfia l’atmosfera superiore della Terra, e spesso si infiamma e scatena le proprie particelle. Non sono così energetiche come i raggi cosmici galattici, ma arrivano in un flash flood. Al massimo solare, dice Biesecker, queste “espulsioni di massa coronale” di particelle cariche sono 10 volte più frequenti che al minimo. Ore o giorni dopo che il sole le sputa fuori, le particelle si precipitano nel campo magnetico della Terra, provocando tempeste geomagnetiche che possono durare per giorni. Le tempeste possono interrompere le comunicazioni, interrompere il tracciamento di veicoli spaziali e missili, e alterare le misurazioni GPS. Possono anche indurre potenti correnti nelle reti elettriche, che possono distruggere trasformatori e altre attrezzature. Gli equipaggi aerei ad alta quota, in particolare vicino ai poli, possono essere inondati dalle particelle energetiche del sole – un rischio di cancro. “Se si progetta un satellite per una vita di 10 o 12 anni, è necessario considerare il ciclo”, dice Michael Martinez, vice presidente delle operazioni di missione alla Maxar di Westminster, Colorado, che produce orbiter di immagini ad alta risoluzione. I progettisti devono essere sicuri che un satellite abbia abbastanza propellente per combattere l’attrito di un’atmosfera in espansione quando il sole si avvicina al massimo, e devono schermare la sua elettronica dalle particelle solari.
Più preoccupante è la prospettiva di una grande tempesta solare, come l’evento Carrington del 1859. Durante quella tempesta, il sole espulse miliardi di tonnellate di particelle cariche, causando aurore fino al sud dei Caraibi e generando correnti nelle linee telegrafiche abbastanza potenti da scioccare gli operatori. Oggi, l’effetto di un tale evento su computer e comunicazioni sarebbe terribile. I sistemi di transazioni finanziarie potrebbero collassare. L’elettricità e l’acqua potrebbero facilmente andare fuori uso. “Probabilmente sarebbe l’Hunger Games molto presto”, dice McIntosh.
Se si progetta un satellite per una vita di 10 o 12 anni, è necessario considerare il ciclo.
McIntosh non mette in discussione la necessità di prepararsi, ma è scettico sull’approccio del panel. Infatti, crede che la sua stessa premessa – prevedere l’aumento e la diminuzione delle macchie solari – sia fuori strada. Le macchie solari, e il ciclo stesso, sono solo sintomi di una storia ancora misteriosa che si svolge all’interno del sole.
Lika Guhathakurta, un osservatore del panel dell’Ames Research Center della NASA in California, è d’accordo. “Le macchie solari non sono un indice fisico di nulla”, dice, dopo i discorsi introduttivi della mattina. “Quindi il fatto che l’abbiamo usato come proxy di per sé presenta un problema”. Usare le macchie solari – un effetto collaterale, non una causa – per predire il comportamento futuro del sole è come cercare di divinizzare la teoria dei germi delle malattie guardando un naso che cola, pensano lei e McIntosh.
Ma poiché i relatori si sono riuniti specificamente per prevedere il numero di macchie solari, essi continuano ad andare avanti, esaminando circa 60 modelli nei prossimi 4 giorni. Ognuno predice il numero di macchie solari al massimo solare, così come la tempistica del minimo e del massimo.
Molti dei modelli si basano su “precursori” – proxy osservabili, non diversamente dalle macchie solari stesse, che hanno dimostrato di essere empiricamente utili nel prevedere la tempistica o la grandezza del massimo solare. Uno di questi è l’intensità del campo magnetico ai poli del sole al minimo solare. I telescopi possono misurare l’intensità di questo campo misurando come gli atomi sopra la superficie del sole assorbono certe lunghezze d’onda della luce. Un campo debole di solito preannuncia un ciclo tranquillo, perché i campi polari rappresentano i semi che perforeranno come macchie solari e cresceranno nell’attività del prossimo ciclo solare. Robert Cameron, un panelista e fisico solare presso l’Istituto Max Planck per la ricerca sul sistema solare a Göttingen, in Germania, dice che su circa quattro cicli di osservazione diretta e più di un secolo di dati indiretti, la correlazione “è buona e altamente statisticamente significativa.”
Altri modelli precursori si basano sugli effetti del ciclo solare sulla Terra. Per 170 anni, per esempio, gli osservatori di tutto il mondo hanno monitorato le perturbazioni del campo magnetico terrestre, che tendono ad essere più frequenti al massimo solare. Ma misurando qualcosa sulla Terra piuttosto che il sole, i metodi sono un passo indietro, dice Dean Pesnell, scienziato del progetto per il Solar Dynamics Observatory della NASA e un ricercatore presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. “
Un altro approccio assomiglia alla previsione del clima: usare simulazioni fisiche del sole per prevedere come si evolverà. I modelli, che combinano teorie dell’elettromagnetismo e della dinamica dei fluidi, partono dalle condizioni attuali del sole e calcolano la sua evoluzione attraverso il ciclo. E stanno migliorando, dice Maria Weber, un membro del panel e collega dell’Università di Chicago in Illinois. Una maggiore potenza di calcolo e migliori algoritmi significano che gli scienziati possono eseguire in poche ore simulazioni che un decennio fa avrebbero richiesto settimane. Hanno anche più misure per calibrare i modelli: non solo il conteggio delle macchie solari e le misure del campo polare, ma anche i dati eliosismologici – le misure delle vibrazioni che sondano l’interno del sole – che possono catturare il flusso di plasma sotto la superficie del sole.
Un sole senza macchia, come visto a maggio dal Solar Dynamics Observatory della NASA. Il sole è vicino al minimo solare.
NASA/SDO; AIA, EVE, E HMI SCIENCE TEAMS
Questi modelli “dinamo” stanno fornendo intuizioni su come la forma del campo magnetico del sole cambia nel corso di un ciclo. All’inizio il campo è principalmente poloidale – con linee di campo che corrono da un polo all’altro come un magnete a barra. Ma come la rotazione differenziale del sole torce il campo magnetico, la sua forma diventa toroidale, avvolgendo la stella come una ciambella. “È allora che il magnetismo crea specificamente le macchie solari”, dice Weber.
Col tempo, il “flusso meridiano”, una circolazione da equatore a polo nella zona convettiva, riporta questi campi magnetici superficiali verso i poli, convertendo i campi toroidali in poloidali. Anche se i modelli possono ricreare questo ciclo di base di 11 anni, Weber dice che hanno ancora un grande difetto. “Nessun modello di dinamo è stato in grado di creare realmente le macchie solari”, dice Weber. I modellatori usano un intenso magnetismo toroidale come proxy per le bande che producono le macchie solari.
Altri modelli cercano correlazioni come un teorico della cospirazione: ovunque possano trovarle. Uno guarda come il declino delle macchie solari di tre cicli fa si riferisce al picco del ciclo attuale. Un altro collega la lunghezza del ciclo precedente al numero minimo di macchie solari. “Non c’è molta fisica coinvolta”, ammette la relatrice Rachel Howe dell’Università di Birmingham nel Regno Unito, che è stata incaricata di rivedere l’accozzaglia di modelli statistici. “Non c’è nemmeno molta sofisticazione statistica.”
Il relatore Andrés Muñoz-Jaramillo del Southwest Research Institute di Boulder è d’accordo con Howe. “Non c’è alcun collegamento con la fisica solare”, dice con frustrazione. McIntosh, che a questo punto è sceso dal suo ufficio e appare sulla porta, è più chiaro. “Stai cercando di sbarazzarti della numerologia?” dice, sorridendo.
“È così che si è verificata una certa scienza”, protesta Lisa Upton, co-presidente di Biesecker e fisico della Space Systems Research Corporation di Alexandria, Virginia: Si trova un’oscura relazione quantitativa che non si capisce, e solo più tardi si modella ciò che significa fisicamente.
Biesecker ammette il punto. “Ma non ne abbiamo davvero trovato uno che sembra funzionare”, dice. “E lo facciamo da centinaia di anni.”
McIntosh è irritato dal fatto che la commissione stia valutando modelli che considera dubbi. “È così che nascono le chiese”, dice. “Sei un discepolo di un discepolo di un discepolo”. McIntosh, che non ha studiato astrofisica a scuola e si è invece concentrato sulla matematica e la fisica, ha la sua idea di come funziona il sole – e non nasce da uno dei modelli popolari.
Intorno al 2002, ha iniziato a catalogare le caratteristiche luminose che, nelle immagini ultraviolette estreme dell’atmosfera esterna del sole, o corona, sembrano boe galleggianti nel plasma incandescente. Questi punti luminosi, ha scoperto, seguono un percorso simile attraverso il sole come le macchie solari, tranne che iniziano più in alto, a circa 55 ° di latitudine, prima di marciare verso l’equatore. McIntosh ipotizza che sia le macchie solari che i punti luminosi riflettono bande parallele di flusso magnetico che, all’inizio di ogni ciclo, spuntano alle alte latitudini e, come un orologio, si incontrano all’equatore alla fine del ciclo. I punti luminosi, tuttavia, potrebbero essere marcatori migliori per le bande – più strettamente legati a ciò che sta accadendo nel profondo del sole.
Se le previsioni tengono, ad un certo punto qualcuno deve sedersi e prendere nota.
Durante l’ultimo minimo solare, ha osservato come i punti luminosi – e presumibilmente, le bande – si sono sovrapposti all’equatore. McIntosh chiama l’incontro “il Terminator”, perché pensa che sia il momento in cui le due bande – che hanno polarità magnetica opposta – si annullano a vicenda, segnando la fine improvvisa di un ciclo di 11 anni e l’inizio del successivo. Ma poiché il polo magnetico nord e sud del sole sono invertiti alla fine di ogni ciclo, McIntosh preferisce parlare di un ciclo esteso di 22 anni. Spera che comprendendo le bande, gli scienziati saranno finalmente in grado di produrre previsioni affidabili e accurate.
Il team sta ancora cercando di capire esattamente perché queste presunte bande si formino. In un articolo del 2014 su The Astrophysical Journal, McIntosh e i suoi colleghi hanno esposto la loro migliore ipotesi: cellule giganti vorticose vicino alla base della zona convettiva formano tubi di flusso magnetico che appaiono sulla superficie come bande di attività.
Nel mezzo della loro ricerca, hanno scoperto di non essere soli: Negli anni ’80, altri scienziati avevano pubblicato un articolo su Nature che descriveva sostanzialmente la stessa idea. Ma quel lavoro è scomparso nell’oscurità. Ora, l’idea di un ciclo esteso di 22 anni sta prendendo piede di nuovo con alcuni ricercatori. Lo scienziato della HAO Mausumi Dikpati ha recentemente pubblicato un articolo su Nature che si basa sulle idee di McIntosh. Le bande magnetiche, ipotizza, producono anche “dighe magnetiche”, che trattengono il plasma accumulato. Quando le bande si incontrano e si annientano a vicenda, le dighe si rompono. Il plasma rotola su dall’equatore verso le medie latitudini a 300 metri al secondo in quello che Dikpati chiama uno “tsunami solare”. Le onde guidano i campi magnetici verso la superficie, creando le prime macchie solari del ciclo successivo poche settimane dopo.
Dikpati, che è un consulente della commissione, presenta questa ricerca ai membri della commissione, che, a questo punto, hanno molto da considerare prima di esprimere i loro voti.
Nell’ultimo giorno, la neve si è sciolta dai pini. È il momento che la giuria faccia il suo pronostico. Biesecker ha l’aria stanca quando si trova di fronte ai panelisti. “Un consenso tra gli esperti può spesso essere una migliore previsione dello stato futuro di un sistema rispetto all’insieme delle previsioni individuali”, dice.
McIntosh aleggia di nuovo sulla porta mentre i panelisti votano solennemente, le loro previsioni e stime di incertezza basate su una valutazione istintiva dei modelli. Biesecker tabula doverosamente le stime, e arriva ad una gamma di picchi di macchie solari: da 95 a 130. Questo significa un ciclo debole, ma non particolarmente, ed è marginalmente più forte del ciclo passato. Fa lo stesso con i voti per la tempistica del minimo. Il consenso è che arriverà tra luglio 2019 e settembre 2020. Il massimo seguirà tra il 2023 e il 2026.
McIntosh ha una sua previsione privata: un picco di 155 macchie solari, a metà del 2023. Ammette che potrebbe sbagliarsi. Ma una previsione di successo, spera, farà guadagnare al suo modello una certa accettazione. “Se le previsioni reggono”, dice McIntosh, “ad un certo punto qualcuno deve sedersi e prenderne atto”.
Chi, se qualcuno, avrà ragione non si saprà per anni. Nel frattempo il sole, avvicinandosi al minimo, si sta dimostrando sorprendente come sempre. La notte precedente, quella regione attiva di macchie solari ha eruttato per un’ora di fila. Le particelle dell’espulsione di massa coronale arriveranno nel giro di pochi giorni.
Mentre il panel prepara le sue previsioni e perfeziona la sua messaggistica, la tempesta si carica verso la Terra, pronta o no.
*Chiarimento, 19 giugno, 2 p.m.: l’affiliazione di Michael Martinez è stata modificata per riflettere l’assorbimento della DigitalGlobe da parte della nuova società madre Maxar.