Sole, il telescopio Inouye osserva vortici di plasma mai risolti prima sulla fotosfera

Il Daniel K. Inouye Solar Telescope ha permesso di distinguere sulla superficie del Sole piccoli vortici di plasma che finora erano rimasti al di sotto delle capacità di osservazione degli strumenti terrestri. Le strutture sono compatibili con l’instabilità di Kelvin-Helmholtz, un fenomeno fisico noto da oltre un secolo che si manifesta quando due fluidi scorrono uno accanto all’altro a velocità differenti. La loro presenza potrebbe avere conseguenze sulla comprensione del modo in cui calore, materia ed energia magnetica vengono trasferiti negli strati più esterni della nostra stella.

L’instabilità di Kelvin-Helmholtz non è una novità per la fisica. La teoria risale alla seconda metà dell’Ottocento e descrive ciò che accade lungo la superficie di separazione tra due flussi con velocità diverse: il confine può deformarsi, incurvarsi e infine arrotolarsi formando vortici. Meccanismi simili contribuiscono, per esempio, alla formazione delle increspature prodotte dal vento sull’acqua e di alcune caratteristiche ondulazioni visibili nelle nubi.

Da decenni gli studiosi ritenevano che un processo dello stesso tipo potesse verificarsi anche nel plasma solare. Mancava però un’osservazione sufficientemente dettagliata della fotosfera, lo strato visibile del Sole, perché le strutture previste hanno dimensioni estremamente ridotte su scala astronomica. Il gruppo guidato da David Kuridze e Friedrich Wöger del National Solar Observatory ha ora ottenuto immagini che mostrano questi vortici lungo numerose regioni di confine associate ai campi magnetici.

La possibilità di individuarli è legata soprattutto alle prestazioni del Daniel K. Inouye Solar Telescope, installato alle Hawaii. Il telescopio dispone di uno specchio principale di quattro metri ed è il più grande osservatorio solare di questo tipo al mondo. Le sue dimensioni consentono di raggiungere una risoluzione molto superiore rispetto a quella degli strumenti con aperture inferiori ai due metri, che non riuscivano a distinguere fenomeni così piccoli.

Le immagini analizzate sono state raccolte il 14 aprile 2025 durante una sessione di appena tre minuti. Il telescopio era puntato verso una regione attiva vicina al centro del disco solare e osservava a una lunghezza d’onda di 416 nanometri attraverso una configurazione diagnostica sviluppata dal National Solar Observatory insieme al Max Planck Institute for Solar System Research.

L’obiettivo iniziale non era cercare vortici. I ricercatori volevano verificare quanto il telescopio potesse avvicinarsi al proprio limite teorico di diffrazione, cioè al livello minimo di dettaglio che un sistema ottico può distinguere. La capacità di risoluzione dipende principalmente dalla dimensione dello specchio e dalla lunghezza d’onda utilizzata: uno specchio più grande e una lunghezza d’onda più corta permettono, in generale, di osservare particolari più fini.

La scelta dei 416 nanometri, nella parte più corta dello spettro visibile, ha permesso di sfruttare quasi completamente le capacità dello specchio da quattro metri. La camera impiegata durante il test acquisiva 740 fotogrammi al secondo con esposizioni di appena 100 microsecondi. Per costruire le immagini finali sono stati combinati gruppi di circa duemila fotogrammi attraverso una tecnica numerica capace di ridurre la distorsione residua provocata dall’atmosfera terrestre.

Il risultato è stato un filmato della fotosfera con un nuovo fotogramma ogni due secondi e una risoluzione spaziale di circa 19 chilometri. Una precisione vicina al limite teoricamente raggiungibile da un telescopio di quattro metri alla lunghezza d’onda utilizzata. Proprio questa qualità delle immagini ha fatto emergere strutture che nelle osservazioni precedenti apparivano come semplici bordi sfocati.

A quella lunghezza d’onda la superficie solare mostra chiaramente i granuli, celle generate dalla convezione che trasporta energia dagli strati interni verso l’esterno. Tra queste strutture si trovano zone in cui il campo magnetico è particolarmente concentrato. Nelle immagini meno dettagliate, la separazione tra queste regioni magnetiche e la granulazione circostante sembra relativamente liscia. Con la nuova risoluzione, invece, i bordi appaiono coperti da sottili striature scure e da strutture che si arrotolano come piccoli vortici.

Il gruppo ha individuato 47 interfacce caratterizzate dalla presenza di questi fenomeni. La distanza tra due increspature successive è generalmente compresa tra 60 e 100 chilometri, mentre il diametro dei singoli vortici varia approssimativamente da 25 a 170 chilometri. Gli elementi più piccoli osservati si trovano molto vicini al limite di risoluzione di 19 chilometri, quindi non è ancora possibile stabilire quanto possano diventare minuscole queste strutture.

Anche la loro evoluzione è molto rapida. Dall’analisi delle immagini risulta che i vortici possono raddoppiare le proprie dimensioni in meno di un minuto e spostarsi lungo il confine tra le diverse regioni a velocità comprese tra 0,67 e 3 chilometri al secondo.

Lo sviluppo dell’instabilità attraversa fasi differenti. All’inizio le strutture mantengono una forma relativamente ordinata: il bordo si incurva progressivamente e produce una successione regolare di onde che cominciano ad arrotolarsi. Successivamente il sistema entra in una fase non lineare, nella quale l’organizzazione iniziale si perde e il movimento del plasma diventa molto più irregolare, fino a produrre condizioni simili alla turbolenza.

Il comportamento dipende anche dall’orientamento del campo magnetico. Le linee di campo possono essere immaginate come fili elastici immersi nel plasma, capaci di opporsi alle deformazioni. Quando sono orientate nella stessa direzione del flusso, tendono a frenare le ondulazioni e possono impedire all’instabilità di crescere. Se invece attraversano il flusso con un orientamento differente, la loro capacità di stabilizzare il confine diminuisce.

Nelle regioni osservate dall’Inouye, il campo magnetico più intenso emerge quasi verticalmente rispetto alla superficie solare, mentre i movimenti associati alla granulazione procedono soprattutto in direzione orizzontale. Questa geometria lascia quindi maggiore libertà alle deformazioni del confine, permettendo ai vortici di svilupparsi lungo i margini delle strutture magnetiche.

Per escludere che le forme rilevate fossero un effetto artificiale prodotto dall’elaborazione delle immagini, gli studiosi hanno confrontato le osservazioni con simulazioni numeriche. I modelli hanno riprodotto una porzione di fotosfera larga circa sei megametri per lato, utilizzando una griglia con intervalli di 3,2 chilometri e una distribuzione del campo magnetico basata sulla regione realmente osservata.

Dalle simulazioni sono poi state generate immagini sintetiche confrontabili con quelle ottenute dal telescopio. I ricercatori hanno calcolato 500 punti spettrali nell’intervallo di lunghezze d’onda interessato, applicando le caratteristiche del filtro reale e riducendo successivamente la risoluzione per riprodurre quella dello strumento. Nei dati simulati sono comparsi vortici con caratteristiche molto simili a quelli osservati, sia per dimensioni sia per crescita e velocità di propagazione.

La scoperta potrebbe modificare alcuni aspetti dei modelli con cui viene descritta la dinamica della superficie solare. Un campo magnetico molto intenso tende normalmente a limitare il movimento del plasma. Le macchie solari rappresentano un caso evidente: il campo può diventare abbastanza forte da ostacolare la convezione, facendo apparire quelle zone più scure e più fredde rispetto all’ambiente circostante.

La presenza di vortici lungo i bordi delle concentrazioni magnetiche introduce però un possibile meccanismo di mescolamento proprio dove il plasma veniva considerato più stabile. Materiale magnetizzato e materiale circostante potrebbero quindi interagire più facilmente. Plasma più freddo proveniente dai margini delle celle convettive potrebbe penetrare nelle regioni magnetiche e modificare il trasferimento di calore appena sotto la superficie visibile.

Un’altra possibile conseguenza riguarda la corona, l’atmosfera esterna del Sole che raggiunge temperature dell’ordine di milioni di gradi. Una delle questioni ancora aperte della fisica solare riguarda i processi che trasferiscono energia verso questi strati. Le linee del campo magnetico possono essere mosse e intrecciate dai fenomeni che interessano i loro punti di ancoraggio sulla superficie, accumulando energia che può successivamente essere liberata.

I movimenti rotatori osservati ai margini degli elementi magnetici potrebbero contribuire proprio a questo intreccio. Se fenomeni analoghi fossero realmente diffusi sulla fotosfera, rappresenterebbero quindi un possibile tassello nello studio del trasferimento di energia verso gli strati superiori del Sole. Le immagini disponibili, tuttavia, non consentono ancora di stabilire quanta energia venga coinvolta nel processo.

Il principale limite dello studio è la durata delle osservazioni. L’intera sequenza ad alta risoluzione copre soltanto tre minuti e offre quindi una fotografia molto ridotta dell’evoluzione della regione solare. Non è ancora possibile determinare con precisione quanto siano frequenti i vortici, per quanto tempo persistano o quanto cambino in zone differenti della fotosfera.

Resta aperta anche la questione delle dimensioni minime. Poiché alcune delle strutture osservate si avvicinano al limite di 19 chilometri dello strumento, potrebbero esistere vortici ancora più piccoli che il telescopio non riesce a separare. Simulazioni con griglie più fini potrebbero aiutare a esplorare queste scale, ma richiedono modelli fisici e capacità di calcolo più sofisticati.

Le osservazioni utilizzate forniscono inoltre soprattutto immagini ad altissima risoluzione e non misure complete e dirette del campo magnetico alla stessa scala. Una parte delle informazioni sulla velocità effettiva del plasma deriva quindi dai modelli numerici. Per misurare con maggiore precisione l’energia coinvolta e seguire l’evoluzione delle strutture serviranno sequenze più lunghe accompagnate da mappe magnetiche dettagliate.

Le prossime osservazioni del telescopio Inouye potranno verificare se questi vortici sono davvero comuni lungo gran parte delle strutture magnetiche della fotosfera e stabilire quale ruolo abbiano nel trasporto di materia, calore ed energia. Sequenze più estese permetteranno anche di capire se il fenomeno possa contribuire ai processi che alimentano eventi energetici come brillamenti ed eruzioni solari.