L'elio è il secondo elemento più abbondante nell'universo dopo l'idrogeno. Ma gli scienziati non sono sicuri di quanto effettivamente ce ne sia nell'atmosfera del Sole, dove è difficile misurarlo. Conoscere la quantità di elio nell'atmosfera solare è inoltre importante per comprendere l'origine e l'accelerazione del vento solare – il flusso costante di particelle cariche dal Sole, che permea l’intero Sistema solare e nel quale navigano le sonde spaziali interplanetarie e sono immersi i pianeti, e che può potenzialmente danneggiare un'astronave al raggiungimento della Terra.
Finalmente, nel 2009, gli scienziati della NASA in collaborazione con fisici solari italiani dell’INAF e dell’Università di Firenze hanno lanciato dalla base missilistica di White Sands (New Mexico) un razzo sonda con a bordo anche un telescopio italiano per misurare l’abbondanza dell’elio e la distribuzione nell'atmosfera solare estesa, la corona. I risultati, recentemente pubblicati su Nature Astronomy, aiutano gli scienziati a comprendere meglio il nostro ambiente spaziale.
In precedenza, misurando il rapporto tra elio e idrogeno nel vento solare che raggiunge la Terra, gli scienziati hanno trovato valori molto più bassi del previsto. C’era il sospetto che la carenza di elio potesse essere causata da un diminuito effetto di trascinamento dell’elio da parte dell’idrogeno nel processo di formazione del vento solare. Scoprire dove si perde l'elio è la chiave per capire come viene accelerato il vento solare.
Per misurare la quantità di elio e idrogeno coronali, il coronografo italiano Sounding-rocket Coronographic Experiment (SCORE), a bordo del razzo sonda NASA Helium Resonance Scattering in the Corona and Heliosphere (HERSCHEL), ha catturato immagini della corona solare, osservando simultaneamente l’emissione dell’elio – una volta ionizzato – e quella dell’idrogeno neutro fino ad una distanza di due raggi solari dalla fotosfera. Mentre altre precedenti missioni avevano studiato la corona, nessuna aveva la capacità di misurare l’abbondanza dell'elio, rispetto all’idrogeno, nell’intera corona.
Grazie alle misure dello strumento italiano SCORE, il team americano, italiano e francese di HERSCHEL ha anche scoperto che l'elio non era distribuito uniformemente nella corona. La regione equatoriale del Sole non aveva quasi elio, mentre le aree a metà latitudine avevano la massima abbondanza, con valori compatibili con quello dell’abbondanza prevista per la zona di convezione – zona sub-fotosferica – del Sole. Confrontando con le immagini del Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) dell’ESA, gli scienziati sono stati in grado di mostrare che l'abbondanza dell’elio alle medie latitudini si sovrappone alle regioni in cui le linee del campo magnetico del Sole si aprono nel Sistema solare.
I risultati hanno mostrato che il rapporto tra elio e idrogeno è fortemente correlato al campo magnetico coronale e alla velocità del vento solare, con una minore abbondanza misurata nelle regioni equatoriali che corrisponde a quella misurata nel vento solare vicino alla Terra.
“Le osservazioni del coronografo SCORE mostrano che la distribuzione dell’elio ionizzato, nella corona, è influenzata dalla struttura del campo magnetico coronale”, dice Silvano Fineschi dell’INAF – Osservatorio Astrofisico di Torino, principal investigator di SCORE. “Questo conferma quanto pioneristicamente osservato 25 anni fa dallo strumento a partecipazione italiana Ultraviolet Coronagraph Specrometer (UVCS) su SOHO, il quale anche durante il volo di HERSCHEL ha operato e misurato un’analoga distribuzione coronale dell’ossigeno ionizzato. La NASA – continua Fineschi - ha programmato per il 2021 un altro lancio di SCORE a bordo di HERSCHEL che permetterà osservazioni congiunte con il nuovo coronografo italiano Metis di cui SCORE è il prototipo.”.
“Le misure del coronografo SCORE non fanno che aumentare le aspettative per il contributo che il coronografo italiano Metis, lanciato a febbraio sulla sonda ESA/NASA Solar Orbiter, sarà in grado di dare nella rilevazione dell’abbondanza di elio nella corona e nella comprensione del meccanismo di accelerazione del vento solare”, aggiunge Marco Castronuovo dell’Unità esplorazione e osservazione dell’Universo di Agenzia Spaziale Italiana (ASI).
“La prima misurazione dell’elio resa possibile dal coronografo SCORE rappresenta un passo in avanti nella comprensione del nostro ambiente spaziale”, sottolinea Marco Romoli, docente di Astronomia e astrofisica dell’Università di Firenze. “A distanza di oltre dieci anni da quella missione, attraverso uno strumento più potente e avanzato come Metis, che rappresenta per certi versi un’evoluzione proprio di SCORE, siamo convinti di poter raccogliere ulteriori elementi che consentano di approfondire la conoscenza di alcuni processi tipici del Sistema solare”.
L'indagine di HERSCHEL è una collaborazione internazionale guidata dallo US Naval Reserach Laboratory (NRL) di Washington DC. Il Dr. John D. Moses è il principal investigator (PI) dell’esperimento, la Prof.ssa Ester Antonucci è Co-PI di HERSCHEL e PI di SCORE al lancio del 2009, il Dr. Silvano Fineschi (direttore dell'Osservatorio Astrofisico di Torino – INAF) è il PI dello strumento SCORE, e il Dr. Marco Romoli dell’Università di Firenze è il PI di Metis. ASI ha finanziato UVCS/SOHO, SCORE/HERSCHEL e Metis /Solar Orbiter.
Lo studio che illustra i risultati, pubblicato su Nature Astronomy il 27 luglio 2020, è “Global helium abundance measurements in the solar corona”, di John D. Moses et al. (https://www.nature.com/articles/s41550-020-1156-6)
