Osservare il Sole per affinare la nostra capacità di prevedere fenomeni che potrebbero creare instabilità nella nostra vita. La meteorologia spaziale è un’arte, oggi possibile anche grazie alla presenza in Italia di radiotelescopi potenti e alla localizzazione strategica di altri fondamentali strumenti.
Il Sole non è soltanto la stella che alimenta la vita sulla Terra; è un immenso e irrequieto laboratorio di magnetoidrodinamica. Nonostante la sua prossimità, la nostra stella conserva enigmi profondi legati alla natura dei fenomeni che avvengono al suo interno e nella sua atmosfera, la cui comprensione è diventata oggi una priorità non solo accademica ma strategica. In un’era definita dalla dipendenza tecnologica, la meteorologia spaziale (o space weather) rappresenta infatti un pilastro fondamentale per la sicurezza delle nostre infrastrutture. In questo scenario, l’Italia riveste un ruolo di primo piano attraverso due progetti coordinati dall’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf): SunDish e Solaris.
L’osservatorio solare radio per monitorare il Sole ad alte frequenze sviluppato in Italia e attivo nelle basi antartiche. Crediti: Inaf/Pnra
SPACE WEATHER
Il concetto di meteorologia spaziale si riferisce al monitoraggio e alla previsione delle condizioni ambientali nello spazio interplanetario, influenzate prevalentemente dall’attività solare. Il Sole emette costantemente un flusso di particelle cariche, il vento solare, ma sono gli eventi episodici e violenti a destare preoccupazione: i brillamenti (flare) e le espulsioni di massa coronale (Cme).
Un brillamento è un’improvvisa e intensa liberazione di energia elettromagnetica che avviene quando i campi magnetici solari, attorcigliati e compressi nelle regioni attive, si riconnettono bruscamente. L’espulsione di massa coronale consiste invece in plasma caldo e particelle cariche che il Sole proietta nello spazio a velocità elevate. Quando avviene una Cme, il Sole può espellere miliardi di tonnellate di plasma magnetizzato nello spazio interplanetario. Giunte in prossimità della Terra, queste nubi di plasma interagiscono con il campo magnetico terrestre, scatenando tempeste geomagnetiche.
L’impatto sulla nostra civiltà, in caso di fenomeni estremamente energetici, può essere enorme. Le particelle ad alta energia possono danneggiare l’elettronica dei satelliti, interrompendo le comunicazioni globali. Nella ionosfera, le perturbazioni alterano la propagazione dei segnali radio, causando errori nei sistemi di posizionamento globale (Gps) che possono arrivare fino a decine di metri; un rischio inaccettabile per la navigazione aerea o per quella autonoma. A terra, le correnti indotte possono sovraccaricare le reti elettriche; un esempio storico è il blackout del Quebec del 1989, che lasciò milioni di persone senza energia per nove ore a causa della fusione dei trasformatori. La necessità di strumenti di previsione robusti e sensibili è dunque una sfida che riguarda anche la sicurezza planetaria.
In alto: un confronto tra, a sinistra, un’immagine simulata e, a destra, la prima luce di Solaris. In basso: il Sole visto nell’ultravioletto dal Solar Dynamics Observatory e nel radio dal Sardinia Radio Telescope. Crediti: Solaris/Sundish/Srt
I GIGANTI DELLA RADIOASTRONOMIA
Il progetto SunDish nasce da una mossa audace: utilizzare i grandi radiotelescopi a parabola italiani, solitamente dedicati allo studio di oggetti come pulsar e nuclei galattici attivi, per monitorare la stella a noi più vicina. Lo studio si avvale principalmente del radiotelescopio G. Grueff di Medicina (Bologna), una parabola da 32 metri, e del Sardinia Radio Telescope (Srt) di San Basilio (Cagliari), un colosso da 64 metri.
L’adattamento di questi strumenti per l’osservazione solare ha richiesto soluzioni ingegneristiche dedicate. Nella banda K (18-26 GHz), il flusso solare è oltre mille volte superiore a quello delle sorgenti radioastronomiche standard. Puntare queste parabole direttamente verso il Sole avrebbe potuto comportare il rischio di saturazione elettronica e di danni termici alle ottiche e ai ricevitori. Per garantire l’operatività, sono stati installati filtri attenuatori variabili nella catena di amplificazione dei ricevitori, permettendo al sistema di mantenere una risposta lineare anche sotto l’impatto del potente segnale solare.
Un elemento critico per il successo di SunDish è l’accuratezza della calibrazione delle mappe radio solari prodotte. Non ci sono altre sorgenti celesti direttamente impiegabili come riferimento stabile da confrontare con il segnale solare, perché i livelli di potenza sono troppo diversi e il confronto diretto, a parità di configurazione dei dispositivi, non è possibile. È stato quindi necessario sviluppare complesse tecniche di auto-calibrazione, che sfruttano la porzione del disco solare non interessata da regioni attive: il cosiddetto “Sole quieto”. In questo modo, ogni osservazione del Sole contiene già tutte le informazioni che occorrono per ottenere la mappa finale calibrata.
Il radiotelescopio altazimutale da 64 metri di diametro costruito in località Pranu Sanguni a San Basilio, in provincia di Cagliari, e gestito dall’Inaf e dall’Asi. Crediti: Inaf/R. Bonuccelli
La storica antenna parabolica da 32 metri di diametro situata presso la Stazione radioastronomica di Medicina, vicino a Bologna, e gestita dall’Inaf. Crediti: Inaf/R. Bonuccelli
LA FISICA DELLA PREVISIONE
SunDish opera in una finestra di frequenza che permette di “affettare” l’atmosfera solare, osservando specificamente la regione di transizione tra la fotosfera e la cromosfera. In condizioni normali, l’emissione in banda K è dominata dal cosiddetto bremsstrahlung termico, un tipo di radiazione elettromagnetica prodotta quando elettroni liberi vengono accelerati o decelerati a causa della presenza di ioni carichi in un plasma caldo. In pratica, mentre gli elettroni si avvicinano agli ioni, la loro traiettoria viene deviata, e questa variazione di velocità genera l’emissione di fotoni. Poiché coinvolge elettroni già liberi, senza legarsi ad atomi o ioni, viene anche chiamata emissione free–free.
Tuttavia, le ricerche condotte dal team guidato dall’Inaf e pubblicate su Scientific Reports hanno rivelato che le regioni attive sul Sole cambiano comportamento prima di un’esplosione. Analizzando circa 450 mappe solari raccolte tra il 2018 e il 2023, i ricercatori hanno monitorato un parametro fondamentale: l’indice spettrale, che misura come la luminosità radio varia con la frequenza.
In una regione solare quieta, lo spettro è ripido (ossia la luminosità cala nettamente all’aumentare della frequenza). Quando invece una regione attiva sta per scatenare un brillamento, lo spettro subisce un appiattimento caratteristico. Questo mutamento è causato dalla giro-risonanza: elettroni accelerati da campi magnetici intensissimi (fino a 2000 Gauss) spiraleggiano lungo le linee del campo magnetico, emettendo un segnale radio piatto – la cui intensità rimane costante al variare della frequenza – che sovrasta l’emissione termica. I dati mostrano che quando questo indice scende sotto una certa soglia (< 1,5), la probabilità di un forte brillamento entro le successive 30 ore raggiunge l’89%. Integrando ulteriori parametri, come la polarizzazione circolare (fino al 40%) e la luminosità di picco, la precisione del sistema può raggiungere il 97%. SunDish offre quindi informazioni molto preziose per la previsione dei brillamenti, a oggi ottenibili solo mediante osservazioni in questa banda di frequenza.
LA TECNOLOGIA DI SUNDISH
La qualità delle immagini di SunDish dipende da backend digitali di ultima generazione, in particolare il sistema Sardara (Sardinia Roach2-based Digital Architecture), un backend spettro-polarimetrico ad alta risoluzione capace di processare segnali con una larghezza di banda di 1,5 GHz. Questo strumento permette di ottenere contemporaneamente informazioni sulla densità del plasma e sulla configurazione del campo magnetico attraverso i parametri di Stokes, un insieme di quattro grandezze che descrivono completamente lo stato di polarizzazione della radiazione elettromagnetica.
Le osservazioni avvengono con la tecnica on-the-fly (Otf), che consiste nella scansione rapida del cielo lungo direzioni di ascensione retta e declinazione, producendo mappe con una risoluzione che varia tra 0,7 e 2 arcominuti. Queste immagini permettono di identificare non solo le grandi regioni attive (Ar), ma anche strutture più deboli come i “semi-AR”: piccoli incrementi di luminosità associati ai buchi coronali e ai punti brillanti magnetici, fondamentali per studiare l’attività a lungo termine, anche durante le fasi di minimo del ciclo solare. Nell’arco del 2026 è previsto che anche le antenne Inaf di Noto (Siracusa) e Basovizza (Trieste) si aggiungano alla squadra.
SENTINELLE TRA I GHIACCI
Mentre SunDish utilizza la potenza dei giganti per analisi di dettaglio settimanali, il progetto Solaris nasce con l’obiettivo del monitoraggio costante e in tempo reale. Solaris non punta sulla dimensione delle antenne ma sulla loro collocazione strategica e sull’avanguardia tecnologica dei ricevitori, derivati da quelli sviluppati per il grande interferometro Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), a frequenze radio di 95-100 GHz.
Il nemico principale delle osservazioni radio a tali frequenze è il vapore acqueo atmosferico, che assorbe e distorce il segnale. Per questo Solaris sfrutta le basi in Antartide, sia la Mario Zucchelli (sulla costa) sia la Concordia (nell’entroterra, molto più remota). Il clima antartico offre un’aria cristallina e “congelata”, priva di umidità, permettendo osservazioni che sarebbero impossibili in qualsiasi altra parte del mondo. Inoltre, durante l’estate australe, il Sole resta sopra l’orizzonte per molte ore (anche 24, in certi periodi) e questo garantisce una visibilità continua per oltre 20 ore al giorno, eliminando i buchi osservativi notturni.
Le antenne di Solaris sono sistemi intelligenti, capaci di produrre una mappa radio del Sole in meno di 20 minuti. La rete è in espansione: l’obiettivo finale è creare un sistema globale che includa stazioni nelle Alpi (Osservatorio Testa Grigia) e nelle regioni artiche della Scandinavia, garantendo una sorveglianza della nostra stella senza soluzione di continuità per tutto l’anno.
È la base italiana situata a Baia Terra Nova, nel Mare di Ross, una zona extraterritoriale senza alcuna sovranità nazionale. Non a caso l’Antartide è definito il continente della scienza. Crediti: Fototeca Pnra
Verso un “semaforo spaziale” automatizzato
L’integrazione dei dati prodotti da SunDish e Solaris sta gettando le basi per un sistema di allerta precoce automatizzato, un vero e proprio “semaforo spaziale”. La sfida futura consiste nella capacità di distinguere in tempo reale i flare eruttivi (associati alle Cme) da quelli puramente energetici. I team a guida Inaf stanno già lavorando per integrare le mappe radio con i dati provenienti dai satelliti operanti nell’ultravioletto e nei raggi X (come Sdo e Hinode). La sinergia tra osservazioni da terra e dallo spazio permetterà di costruire modelli tridimensionali del campo magnetico solare, anticipando non solo il momento dell’eruzione ma anche la sua probabile efficacia nei confronti dei fenomeni che interessano la Terra.
Con l’imminente potenziamento della rete Inaf con nuovi ricevitori in grado di osservare simultaneamente in banda K, Q (33-50 GHz) e W (75-116 GHz), la capacità di scrutare i segnali più deboli e i meccanismi non termici aumenterà ulteriormente. L’Italia, grazie alla sua eccellenza nella radioastronomia e alla sua presenza storica nei territori polari, si trova in prima linea nello studio del Sole e della meteorologia spaziale, fornendo un monitoraggio dell’emissione radio solare in grado di aiutarci a prevedere i fenomeni più distruttivi.