RICERCA ITALIANA     

Tecniche e Tecnologie Innovative per lo Studio del Magnetismo Solare

Università degli Studi di Firenze

Abstract

Il presente programma di ricerca e' rivolto allo studio del campo magnetico solare per mezzo di ricerche teorico-interpretative e per mezzo dello sviluppo di nuova strumentazione per misure spettropolarimetriche della radiazione solare nell'infrarosso e nell'ultravioletto.

Le ricerche di natura teorica si basano sull'acquisizione, per mezzo di grandi telescopi da terra, di profili spettropolarimetrici di righe spettrali sensibili al campo magnetico (sia per effetto Zeeman che per effetto Hanle) e nella loro interpretazione per mezzo di codici numerici che impiegano il formalismo piu' sofisticato attualmente disponibile per la descrizione dell'interazione fra radiazione polarizzata e il plasma costituente l'atmosfera solare (matrice densita', polarizzazione atomica, interferenze quantistiche, parametri di Stokes, etc.).

Le ricerche per lo sviluppo di nuova strumentazione sono rivolte alla costruzione di due prototipi e di relative parti accessorie. In particolare, si intende costruire: 1. Uno spettropolarimetro bidimensionale a filtro per osservazioni di profili di riga ad alta risoluzione spettrale nel vicino infrarosso, dotato di un correttore di fronte d'onda in vista di un suo utilizzo su grandi telescopi; 2. Uno spettropolarimetro, destinato a operare su missioni spaziali, per osservazioni nell'ultravioletto fra 150 e 300 nm, dotato di un polarizzatore a fili; 3. Una lamina di ritardo a Fluoruro di Litio, operante fra 100 e 120 nm.

Il finanziamento del presente progetto di ricerca permettera` alla comunita` scientifica italiana di mantenere il ruolo di preminenza che sta da tempo svolgendo nell'interpretazione di osservazioni spettropolarimetriche, nella costruzione di strumentazione post-focus per telescopi solari e nella costruzione di strumentazione per l'ultravioletto destinata a missioni spaziali. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Egidio Landi Degl'innocenti Università degli Studi di FIRENZE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Lo studio del campo magnetico solare si basa in maniera sistematica sull'utilizzazione della spettro-polarimetria. Questa tecnica e` stata introdotta in fisica solare un secolo fa ed ha oggi raggiunto elevatissimi livelli di sofisticazione sia dal punto di vista teorico che sperimentale. Lo scopo del presente programma di ricerca e` quello di portare contributi di tipo innovativo sia sull'aspetto teorico e interpretativo che sull'aspetto dello sviluppo di strumentazione.
Dal punto di vista teorico, basandoci sulla teoria generale della generazione e del trasporto di radiazione polarizzata (largamente sviluppata dal coordinatore nazionale del presente progetto) intendiamo intraprendere nuove tecniche di indagine che permettano di interpretatre osservazioni spettropolarimetriche ad alta risoluzione spaziale. In particolare intendiamo implementare un codice numerico che fornisca, a partire da modelli realistici dell'atmosfera solare, i profili spettro-polarimetrici di righe che si formano in presenza di campi magnetici (eventualmente di natura stoscastica) di intensita` arbitraria e che possono agire sui profili di riga attraverso i segnali tipici sia dell'effetto Zeeman che dell'effetto Hanle. Questa tecnica e` innovativa in quanto, nella ricerca attuale, a livello internazionale, i due effetti vengono sempre trattati in maniera alternativa, mentre esistono numerose situazioni fisiche -tipiche quelle della cromosfera o quelle previste per le righe UV emesse nella regione di transizione- in cui vengono comunemente osservati profili di tipo intermedio. Questa parte del progetto riguarda l'Unita` di Ricerca di Firenze e l'Unita' di Ricerca INAF, Osservatorio di Torino.
Dal punto di vista dello sviluppo di strumentazione, il progetto si propone di raggiungere i seguenti obbiettivi:
a) la costruzione del prototipo di uno spettro-polarimetro bidimensionale per l'infrarosso vicino (Unita` di Ricerca INAF, Osservatorio di Arcetri) e la costruzione di un sistema di ottica adattiva per la correzione degli errori di fase del fronte d'onda in vista dell'utilizzazione dello spettro-polarimetro al piano focale di grandi telescopi solari, come il telescopio GREGOR, attualmente in fase avanzata di costruzione all'Osservatorio del Teide, Tenerife (Unita` di Ricerca di Roma-Tor Vergata).
b) la costruzione di un prototipo di spettro-polarimetro per l'Ultravioletto dotato di un polarizzatore a fili e la costruzione di una lamina di ritardo a Fluoruro di Litio. Il primo progetto, che interessa la regione dello spettro compresa nell'intervallo 150-300 nm, sara` realizzato in sinergia fra l'Unita` di Ricerca di Firenze (studio e caratterizzazione dei materiali e dei componenti ottici, assemblaggio del prototipo, controllo dello strumento, realizzazione del polarizzatore a fili), l'unita di Ricerca INAF-Osservatorio di Catania (studio delle configurazioni ottiche), l'Unita` di Ricerca INAF-Osservatorio di Milano (realizzazione del rivelatore MCP).
c) la costruzione di una lamina di ritardo, dedicata all'intervallo di lunghezza d'onda fra 100 e 125 nm (che contiene le righe Lyman-alfa e Lyman-beta fondamentali per la misura di campi coronali per mezzo dell'effetto Hanle) sara` realizzata in sinergia fra l'Unita` di ricerca INAF-Osservatorio di Torino (costruzione di una lamina di ritardo a Fluoruro di Litio) e l'Unita` di ricerca di Pavia (misura delle proprieta` ottiche, di birifrangenza, e di piezo-birifrangenza del Fluoruro di Litio). <<<

Risultati parziali attesi

I risultati attesi dalla ricerca sono molteplici e di grande interesse, sia per l'avanzamento delle nostre conoscenze riguardo al magnetismo solare, sia per la potenzialita` applicativa della strumentazione che intendiamo realizzare.

Dal punto di vista delle ricerche teoriche, ci proponiamo, col presente progetto, di portare un contributo significativo alla comprensione del magnetismo a piccola scala a livelli fotosferici e cromosferici. Questo e` reso possibile dall'utilizzazione dell'effetto Hanle come strumento diagnostico per la determinazione dei deboli campi magnetici di polarita` opposte che sono presenti nell'atmosfera solare al di fuori delle regioni attive.

Dal punto di vista della costruzione di nuova strumentazione e` necessario sottolineare quanto segue:

a) Il successo ottenuto dall'interferometro IBIS (Interferometric BIdimensional Spectrometer) costruito dall'INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri (responsabile F. Cavallini) con il contributo del Dipartimento di Fisica dell'Universita` di Roma-Tor Vergata (responsabile F. Berrilli) e del Dipartimento di Astronomia e Scienza dello Spazio dell'Universita` di Firenze (responsabile E. Landi Degl'Innocenti) ha suggerito la costruzione del prototipo di uno strumento analogo nel vicino infrarosso. Il Kipenheur-Institut for Solar Physics, che gestisce il telescopio GREGOR (attualmente in fase avanzata di costruzione all'Osservatorio del Teide (Isole Canarie), ha espresso parere favorevole a ospitare su GREGOR uno strumento di piano focale quale quello oggetto della presente richiesta. Lo stesso strumento e` anche da considerarsi come testbed di uno strumento di maggiori dimensioni destinato al telescopio ATST (Advanced Technology Solar Telescope), un telescopio solare di 4m di apertura che entrera` in funzione nel 2012. Le potenzialita` applicative dello spettro-polarimetro bidimensionale infrarosso sono quindi molto elevate nel campo della fisica solare. La costruzione di questo strumento permettera` alla comunita` scientifica italiana di continuare a svolgere un ruolo di preminenza nella costruzione di strumentazione post-focus per telescopi solari.

b) La spettropolarimetria nell'Ultravioletto e` ancora in fase embrionale ma presenta una potenzialita` diagnostica elevatissima, sia per la possibilita` di misurare direttamente i campi magnetici coronali, ad un'altezza dell'ordine del raggio solare attraverso l'effetto Hanle (mediante osservazioni nelle righe Lyman-alpha e Lyman-beta a 121.6 e 102.6 nm, rispettivamente), e nella regione di transizione attraverso l'azione combinata dell'effetto Hanle e dell'effetto Zeeman (mediante osservazioni nelle righe EUV permesse aventi lunghezze d'onda comprese fra 150 e 300 nm). Le potenzialita` applicative dello spettropolarimetro prototipo ultravioletto e della lamina di ritardo a Fluoruro di Litio sono quindi molto elevate. Nel prossimo futuro si puo` prevedere l'utilizzazione di uno spettropolarimetro, evoluto dal prototipo oggetto del presente programma, a bordo di missioni spaziali dedicate alla misura di campi magnetici coronali. Anche per questo strumento si puo` affermare che la sua costruzione permettera` alla comunita` scientifica italiana di mantenere il suo ruolo di preminenza nella costruzione di strumentazione per l'ultravioletto destinata a missioni spaziali. E` infine necessario aggiungere che la spettropolarimetria UV puo` portare importantissimi contributi anche in altri campi dell'astronomia, non solo nella fisica solare. Basta menzionare la sua importanza per lo studio del mezzo interstellare, delle nebulose a riflessione, delle stelle che posseggono un ambiente circumstellare o che sono soggette a consistenti perdite di massa (stelle Oe/Be, binarie interagenti, supergiganti OB, stelle Wolf-Rayet, stelle di Herbig, etc.), delle novae nello stato primordiale, delle nane bianche, degli AGN, etc. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

In paragone alla violenta attivita' manifestata da migliaia di oggetti del nostro Universo, l'attivita' del Sole e' relativamente modesta. Ciononostante, essa da' origine a fenomeni che a tutt'oggi non possono essere interpretati teoricamente. La causa ultima dell'attivita' solare e' il campo magnetico. Di tutta l'energia che viene prodotta nell'interno del Sole e che viene irradiata nello spazio interstellare, solo una piccola frazione (una parte su 100,000) viene trasferita al campo magnetico, ma e' proprio il campo magnetico che produce la maggior parte dei fenomeni dinamici che osserviamo sul Sole. L'attivita' si manifesta a tutti i livelli nell'atmosfera solare, dagli strati piu' profondi accessibili all'osservazione, su su fino alla corona, dove si verificano fenomeni estremamente energetici, come i flares e le eruzioni di massa coronale (CMEs, Coronal Mass Ejections), e dove ha luogo l'accelerazione del vento solare, ma dove, purtroppo, il campo magnetico e' ancora praticamente sconosciuto. Con questo progetto di ricerca intendiamo portare avanti lo studio del campo magnetico solare, sia ai livelli piu' bassi della fotosfera e della cromosfera, che ai livelli della regione di transizione e della corona.

Un tema comune che sta alla base di gran parte della ricerca stronomica moderna e' l'interazione fra il plasma e il campo magnetico. Questa interazione da' luogo a stupefacenti manifestazioni di attivita' in un'ampia varieta' di oggetti (stelle attive, AGN, dischi di accrescimento, etc.), ma e' solo sul Sole che abbiamo la possibilita' di studiare in dettaglio i processi fisici che ne sono responsabili. Tuttavia, malgrado i molteplici sforzi che sono stati dedicati allo studio di tali processi fisici sia per mezzo di telescopi solari tradizionali, che per mezzo di sonde spaziali (come ad esempio SOHO), la nostra comprensione dei meccanismi responsabili dell'attivita` e' ancora oggi del tutto rudimentale. Uno dei fattori principali che ne limitano la comprensione e' dovuta al fatto che la nostra conoscenza dei campi magnetici fotosferici, di quelli cromosferici e, soprattutto, di quelli coronali e' estremamente incompleta.

Riguardo al campo fotosferico al di fuori delle macchie, per il quale sono state da tempo sviluppate opportune tecniche di misura basate su osservazioni spettropolarimetriche di tipo tradizionaele, appare oggi chiaro che il campo tende a concentrarsi ai confini delle celle di supergranulazione. Nelle altre regioni, invece, il campo assume una struttura di tipo caotico e risulta ben rappresentato, invece che in termini deterministici, da opportune funzioni di distribuzione (PDF - Probability Density Functions) che esprimono la probabilita' che l'intensita' del campo magnetico sia compresa entro un certo intervallo di valori. Tali PDF sono tuttavia di difficile determinazione. Per di piu', osservazioni eseguite in diversi intervalli spettrali, o con poteri risolutivi diversi, producono funzioni di distribuzione sostanzialmente diverse. In questo contesto e' auspicabile, da un lato, aumentare le nostre possibilita' di osservare piu' righe spettrali in intervalli di lunghezza d'onda diversi, con migliore precisione polarimetrica e alta risoluzione spaziale e, dall'altro, fare ricorso a nuove tecniche interpretative di tipo complementare rispetto a quelle tradizionali basate sull'effetto Zeeman. In questo ambito si collocano sia le ricerche di natura teorico-interpretativa che quelle di carattere strumentale, rivolte alla costruzione di uno spettro-polarimetro bidimensionale per il vicino infrarosso, che intendiamo sviluppare col presente programma di ricerca.

Riguardo invece al campo magnetico coronale, bisogna ricordare che esso determina la struttura, la dinamica, e il bilancio energetico della corona, ma che la sua conoscenza e' a tutt'oggi molto limitata e incompleta. Infatti, il campo magnetico solare e' misurato prevalentemente a livello fotosferico, molte migliaia di kilometri al di sotto della corona. Le tecniche che sono attualmente utilizzate per la misura dei campi coronali hanno seri inconvenienti e possono dare solo informazioni limitate e incomplete su questa quantita' fisica di importanza fondamentale. In questo scenario, riteniamo quindi molto interessante e scientificamente molto valido ogni tentativo di misurare i campi magnetici coronali per mezzo di nuove tecniche osservative basate sullo sviluppo di spettropolarimetri capaci di operare nell'UV dallo spazio. E' infatti noto, ormai da tempo, che alcune righe coronali, quali le righe della serie di Lyman dell'Idrogeno neutro, essendo formate per diffusione di risonanza della radiazione emessa nelle stesse righe dalla cromosfera, sono sensibili al campo magnetico attraverso l'effetto Hanle. Inoltre, sempre nella regione UV dello spettro, fra 100 e 300 nm, sono anche presenti numerose altre righe non-proibite di elementi altamente ionizzati che possono fornire, attraverso la misura della polarizzazione lineare e circolare, una diagnostica del campo magnetico coronale a livello della regione di transizione (una vera e propria "terra di nessuno" per quanto riguarda le nostre conoscenze sul magnetismo). La spettro-polarimetria UV puo' quindi fornire un valido strumento diagnostico per i campi magnetici coronali, pur di riuscire a misurare la polarizzazione nelle righe spettrali sopra menzionate. Questa e' la sfida tecnologica che ci proponiamo di lanciare attraverso la costruzione di uno spettro-polarimetro prototipo e di una lamina di ritardo operante nell'intervallo spettrale compreso fra 100 e 120 nm (contenente le righe Lyman-alfa e Lyman-beta). <<<