L’astrofisico Merav Opher dell’Università di Boston guiderà un nuovo centro scientifico DRIVE (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate) della NASA volto a sviluppare un modello previsionale dell’eliosfera. Foto di Cydney Scott

Scienze Spaziali

L’astrofisico Merav Opher guiderà un centro finanziato dalla NASA in una missione per comprendere la forma e le dimensioni dell’eliosfera

Per capire l’eliosfera, una forza cosmica che secondo gli astrofisici ci protegge dalle potenti radiazioni emanate dall’universo, immaginate un’enorme bolla che circonda il sole. La bolla è così grande che si estende ben oltre il nostro sistema solare, e sfreccia nello spazio insieme al sole. Nessuno conosce veramente la forma dell’eliosfera, né la sua dimensione.

Gli astrofisici sanno che all’interno dell’eliosfera c’è una tempesta costante di particelle riscaldate e cariche che emanano dal sole. Sanno anche che fuori dall’eliosfera, lo spazio profondo è disseminato di mortali raggi cosmici. E credono che la pelle dell’eliosfera agisca come uno scudo, bloccando la maggior parte di quei raggi e proteggendo tutto all’interno della bolla, più importante, la vita sulla Terra.

“Stiamo tutti cercando di capire questa bolla”, dice l’astrofisico Merav Opher, un professore associato di astronomia del Boston University College of Arts & Sciences.

Ora, grazie a un recente investimento di 12 milioni di dollari da parte della NASA in nove nuovi centri di ricerca eliosferici presso le università di tutti gli Stati Uniti – una delle più grandi iniziative basate su centri dell’agenzia spaziale finalizzata a una grande sfida – gli astrofisici di tutto il paese, tra cui Opher, sperano di salire quello che sembra essere una curva di apprendimento molto ripida. Alla BU, ospitato nel centro dell’Università per la fisica spaziale, Opher sarà il principale ricercatore e leader di una nuova NASA DRIVE (diversità, realizzare, integrare, venture, educare) Science Center che è stato assegnato 1,3 milioni di dollari. Quel team, composto da esperti che Opher ha reclutato da altre 11 università e istituti di ricerca, svilupperà un modello predittivo dell’eliosfera in uno sforzo che il team ha chiamato SHIELD (Solar wind with Hydrogen Ion exchange and Large scale Dynamics).

Il team SHIELD di Opher è incaricato di trovare risposte a quattro grandi domande: Qual è la struttura generale dell’eliosfera? Come si evolvono le sue particelle ionizzate e come influenzano i processi eliosferici? Come interagisce l’eliosfera con, e influenza, il mezzo interstellare, la materia e la radiazione che esiste tra le stelle? E come i raggi cosmici vengono filtrati da, o trasportati attraverso, l’eliosfera?

Un secondo progetto incluso nel BU-led NASA DRIVE Science Center svilupperà un programma di sensibilizzazione – rivolto agli studenti da K-12 fino alla facoltà – con l’obiettivo di formare, reclutare e mantenere le popolazioni sottorappresentate nella scienza del plasma spaziale.

Questo sforzo sarà diretto da Joyce Wong, un professore di ingegneria biomedica del BU College of Engineering e direttore del programma ARROWS (Advance, Recruit, Retain, and Organize Women in STEM) di BU. Wong esplorerà nuovi modi per diversificare il campo del plasma spaziale e rafforzare il suo senso di comunità tra i gruppi sottorappresentati ed espandere gli sforzi di mentoring che potrebbero migliorare la diversità tra il pool di candidati per le posizioni di facoltà.

Per Opher, questo aspetto del nuovo centro DRIVE della NASA è importante quanto lo sviluppo di un modello globale predittivo dell’eliosfera. Come una delle pochissime donne nel campo della fisica spaziale e membro della task force LGBTQIA+ della BU, Opher è stata a lungo una potente sostenitrice dell’aumento del numero di donne e dei gruppi sottorappresentati nelle STEM.

Esplorando incognite fondamentali

Oggi, dice Opher, concezioni fondamentali come la forma dell’eliosfera rimangono oggetto di dibattito. Alcuni modelli suggeriscono che assomiglia ad una cometa con una lunga coda. La ricerca di Opher, al contrario, rivela un modello eliosferico a forma di croissant.

La maggior parte di ciò che sappiamo sull’eliosfera, dice, proviene da quattro progetti principali della NASA: Voyager 1, Voyager 2, New Horizon Spacecraft, e le mappe di atomi neutri energetici (ENA) generate dalle missioni Interstellar Boundary Explorer e Cassini. Opher sottolinea che due di queste fonti, le sonde Voyager 1 e Voyager 2, sono state lanciate nel 1977, portando a bordo una tecnologia progettata negli anni ’60. Nessuna di queste sonde spaziali è stata progettata per studiare l’eliosfera.

Voyager 1 era destinato a guardare Saturno, la luna più grande di Saturno, e Giove, mentre Voyager 2 era rivolto a Urano e Nettuno – tutte destinazioni ben all’interno dei limiti dell’eliosfera e del nostro sistema solare. Eppure, sorprendentemente, entrambe le sonde hanno continuato oltre i loro obiettivi e, cosa più importante, oltre la pelle dell’eliosfera, da cui continuano a inviare dati alla Terra.

Altri veicoli spaziali, in particolare l’IBEX e Cassini, contribuiscono anche dati eliosferici, ma Opher dice che i modelli di quei dati non sono riusciti finora a prevedere le dimensioni o lo spessore dell’eliosfera. Dice che i dati che descrivono i ruoli giocati dalla turbolenza, dalla riconnessione, dalle interazioni onda-particella e dalla conduzione negli strati esterni del sistema solare devono ancora essere integrati nei modelli. Questo sarà il lavoro del suo team, che spera di produrre un modello predittivo che possa aiutare i ricercatori a capire le osservazioni di un IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe) previsto per il lancio nel 2024.

“I modelli che abbiamo ora non possono prevedere le risposte”, dice Opher. “Quindi costruiremo modelli migliori, e per farlo abbiamo portato esperti in molte aree.”

Gli esperti che Opher ha riunito includono John Richardson, ricercatore principale presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT, che sarà il program manager di SHIELD. Altri collaboratori provengono dal MIT, dall’Università del Michigan, dal Johns Hopkins University Applied Physics Lab, dalla NASA Goddard, dal California Institute of Technology, dal Southwest Research Institute, dall’Università dell’Arizona, dall’Università dell’Alabama a Huntsville, dall’Università di Harvard e dall’Università di Princeton.

Il finanziamento di 1,3 milioni di dollari per la fase uno dell’iniziativa della NASA è destinato a portare il DRIVE Science Center di Opher attraverso due anni di ricerca. La fase due, se concessa, sosterrà altri cinque anni di ricerca con circa 5 milioni di dollari di finanziamento all’anno.

“L’idea è che la prossima fase studierà cose come l’effetto dell’eliosfera sull’evoluzione della vita”, dice Opher. “Sappiamo, per esempio, che la quantità di radiazioni influenza la copertura delle nuvole, e la copertura delle nuvole è essenziale per la vita. Se sapessimo di più sulle radiazioni su Marte, potremmo dire se la vita è mai stata possibile.”

Per gli astrofisici, la sfida intellettuale di svelare i misteri dell’eliosfera è irresistibile, e l’influenza dell’eliosfera sulla vita sulla Terra – e forse su altri pianeti in altri sistemi solari – è l’obiettivo più allettante della loro ricerca.

“Merav è un leader mondiale nello studio dell’eliosfera”, dice l’astrofisico Avi Loeb, docente di astronomia all’Università di Harvard. “

Opher e Loeb hanno lavorato insieme su un nuovo studio delle dimensioni della nostra eliosfera, e i risultati saranno presto pubblicati su Nature Astronomy. Loeb dice che conoscere le dimensioni dell’eliosfera ci permetterà, per esempio, di misurare la forza del vento stellare che la genera.

“Se questo vento stellare è molto potente, potrebbe spogliare l’atmosfera dei pianeti di dimensioni terrestri che si trovano nella zona abitabile della stella”, dice. “Questo è particolarmente importante per le stelle di bassa massa… come il nostro vicino più prossimo, Proxima Centauri, che ospita un pianeta nella sua zona abitabile. La stella è centinaia di volte più debole e questo pianeta è 20 volte più vicino alla stella rispetto alla distanza della Terra. Di conseguenza, è esposto a un vento più forte. Sapere quanto è forte questo vento ci permetterà di capire se la sua atmosfera è stata probabilmente spogliata.”

I dati ricevuti dal veicolo spaziale remoto esistente della NASA supportano la convinzione che la pelle dell’eliosfera scherma la Terra dai raggi cosmici che zing attraverso lo spazio profondo. La porzione di raggi cosmici che lo fanno attraverso lo scudo, come tutto ciò che riguarda l’eliosfera, è una questione di dibattito, ma si pensa che sia circa il 25 per cento, abbastanza per convincere gli scienziati che lo scudo è essenziale per la vita sulla Terra, e altrove. Perché come il nostro sistema solare, ogni sistema stellare ha la sua bolla protettiva.

“Più capiamo dei processi nella nostra eliosfera”, dice Opher, “più sappiamo dei processi in tutte le astrosfere e delle condizioni necessarie per creare pianeti abitabili.”

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