Quattro sonde si tuffano nel cuore della riconnessione magnetica

Per la prima volta, quattro sonde gemelle hanno documentato da vicino i meccanismi alla base di uno dei fenomeni fondamentali della natura - la riconnessione magnetica. I risultati promettono di far luce sui processi che alimentano le tempeste solari e le aurore e che permettono alle radiazioni solari di giungere in prossimità della Terra.

Credits: NASA/Goddard/Conceptual Image Lab

La riconnessione magnetica è il drammatico processo per cui le linee di due diversi campi magnetici, viaggiando in direzioni opposte, si saldano l'una con l'altra e producono una nuova configurazione magnetica. Il processo provoca inoltre l'espulsione di getti di particelle ad alta velocità, spinte dall'energia cinetica risultata dalla trasformazione dell'energia magnetica iniziale. Queste particelle riescono ad avventurarsi in regioni magnetiche precedentemente inaccessibili; gli eventi di riconnesione ai confini della magnetosfera terrestre, ad esempio, consentono alle radiazioni solari di avvicinarsi alla Terra.
La riconessione magnetica è alla base di numerosi fenomeni spaziali, dalle potenti espulsioni di massa coronale alle tempeste geomagnetiche che portano alla formazione delle aurore. Studiare la riconnessione magnetica può inoltre fornire preziosi indizi su come proteggere gli astronauti e i cervelli elettronici delle sonde dalle radiazioni spaziali.
Si tratta delle primissime osservazioni raccolte direttamente dall'interno di un evento di riconnessione magnetica. I risultati indicano che questo complicato processo fisico è dominato dal comportamento degli elettroni, un importante indizio sui meccanismi che lo alimentano.
La ricerca porta la firma delle quattro sonde gemelle della missione MMS, decollate nel Marzo del 2015. Le quattro sonde volano in una formazione piramidale che le consente di mappare in tre dimensioni tutti i fenomeni che osservano.
"Abbiamo progettato questa missione, MMS, per essere la prima ad avere la precisione necessaria a ottenere osservazioni nel cuore della riconnesione magnetica," spiega Jim Burch del SwRI. "Abbiamo ricevuto questi risultati prima del previsto. Osservando la riconnessione magnetica in azione, abbiamo osservato una delle forze fondamentali della natura."

Credits: NASA/Goddard/Conceptual Image Lab

Il 16 Ottobre 2015, le quattro sonde hanno attraversato un evento di riconnessione al confine magnetico tra la Terra e il Sole, ovvero la regione in cui il campo magnetico terrestre coccia contro quello solare. Nell'arco di pochi secondi, i 25 sensori a bordo di ciascuna sonda hanno raccolto migliaia di osservazioni, offrendo agli scienziati una risoluzione temporale senza precedenti per studiare più a fondo che mai i cambiamenti nei campi magnetici ed elettrici e le velocità e le direzioni delle particelle cariche.
"Uno dei misteri della riconnessione magnetica è perché è esplosiva in alcuni casi, costante in altri e, ogni tanto, non avviene proprio," spiega Tom Moore della NASA.
"Dalle misurazioni precedenti, sappiamo che i campi magnetici si comportano come una catapulta, accelerando i protoni," prosegue Bruch. "Il mistero è cosa fanno gli elettroni in tutto questo, e come possono due campi magnetici interconnettersi. Prima di MMS, le misurazioni satellitari degli elettroni erano 100 volte troppo lente per poter campionare la regione di riconnessione magnetica. La precisione e la velocità delle misurazioni di MMS, tuttavia, hanno aperto una nuova finestra sull'universo, un nuovo microscopio per osservare la riconnessione."
Attraversando la regione di dissipazione, ovvero il sottile lembo di spazio che costituisce il cuore della riconnessione magnetica, le quattro sonde gemelle hanno monitorato l'improvviso cambiamento nell'assetto dei campi magnetici e tracciato i movimenti delle particelle.
Le osservazioni mostrano che gli elettroni si sono allontanati in linea retta dall'evento a velocità di centinaia di chilometri al secondo, riuscendo così ad attraversare i confini magnetici che in precedenza risultavano insuperabili. Una volta attraversato il confine, le particelle hanno fatto un'inversione di marcia, trovandosi di fronte nuovi campi magnetici. I risultati sono in linea con quanto indicato dalle simulazioni computerizzate. Al momento della connessione tra le linee del campo magnetico solare e quelle del campo terrestre, in particolare, le tracce degli elettroni si sono improvvisate girate in modo che le particelle fluissero lungo le linee di campo.
"I dati mostrano che l'intero processo della riconnessione magnetica è piuttosto ordinato ed elegante," spiega Michael Hesse della NASA. "Non sembra esserci molta turbolenza, o almeno non abbastanza da complicare o interferire con il processo."

Gli scienziati sospettano che la distribuzione elettronica sia una parte fondamentale dei meccanismi che portano all'accelerazione delle particelle da parte delle linee del campo magnetico.
"I risultati ci mostrano che gli elettroni si muovono in tal modo da stabilire dei campi elettrici i quali, a loro volta, producono lampi di energia magnetica," spiega Roy Torbert dell'Università del New Hampshire. "L'incontro che i nostri strumenti sono stati in grado di misurare ci ha fornito una dettagliata immagine dell'esplosivo rilascio di energia da parte della riconnessione e del ruolo degli elettroni."