Plasma solare: i mattoni base di cui è costituita la materia
Pubblicato il 15 Giugno 2024
Pubblicato il 15 Giugno 2024

Come abbiamo già visto precedentemente, il 99,86% della totalità della massa del Sistema solare è appartenente alla nostra stella, il Sole.
Ne consegue che la massa di materia visibile che compone tutti gli altri oggetti del Sistema solare, come tutti i pianeti, i pianeti minori, le comete, gli asteroidi e la polvere interplanetaria, sia solo lo 0,14% del totale.

Per renderci conto di cosa significhi questo in termini di dimensioni possiamo guardare l’immagine sottostante, presa da un video realizzato dall’European Space Agency (ESA) in occasione del viaggio della sonda Hyugens verso la superficie di Titano, una delle lune di Saturno. L’immagine non è una fotografia ma una simulazione, realizzata comunque in base ai dati in possesso attualmente dalla comunità scientifica.

Le dimensioni del nostro pianeta e la nostra Luna, paragonate al disco solare: un confronto visivo diretto.
(crediti: ESA/NASA/JPL/University of Arizona)

Per chi non conoscesse l’inglese, il puntino sopra la dicitura “Earth” è il nostro pianeta Terra e il puntino sopra la dicitura “Moon” è la nostra Luna.

Uno strumento che abbiamo per renderci conto di quanto sia effettivamente grande la stella che noi chiamiamo Sole è confrontarlo con parametri a noi più familiari, legati alla nostra dimensione umana. Il 16 luglio 1969 la missione Apollo 11 decollò dagli Stati Uniti con lo scopo di toccare il suolo lunare. Ebbene la potentissima accelerazione data agli astronauti dal razzo vettore Saturn V, combinata a manovre precise propulsive, che sfruttavano la forza di gravità terrestre mediante orbite mirate, ha portato gli astronauti statunitensi a viaggiare ad una velocità massima di circa 39 000 Km orari.
Ammettendo per assurdo una tale velocità di crociera dall’inizio alla fine, per completare un’ipotetica orbita solare ad un’altezza dalla “superficie” proporzionale a quella che la Stazione Spaziale Internazionale ha oggi rispetto alla Terra, i tre astronauti dell’Apollo 11 impiegherebbero teoricamente circa 120 ore, cioè 5 giorni di viaggio ininterrotto praticamente alla massima velocità che un equipaggio umano abbia mai raggiunto.
Una precisazione: non possiamo parlare di superficie solare in senso stretto, perché la nostra stella non ha una vera e propria superficie come noi siamo abituati a concepirla. Il limitare tra la “materia” che compone la sfera solare e lo spazio esterno è stata chiamata fotosfera: parleremo di seguito nel dettaglio di come si presenta la superficie esterna del Sole.

Un analogo esempio che possiamo fare per comprendere meglio quanto sia grande il Sole è il seguente. La Stazione Spaziale Internazionale (ISS) viaggia in orbita attorno alla Terra ad una quota media di circa 400 Km e ad una velocità di circa 27 600 Km/h. Questo significa che compie una singola orbita completa attorno al nostro pianeta in 93 minuti, cioè in 1 ora e 33 minuti.
Sempre per assurdo se ponessimo l’ISS in orbita solare, ad una quota proporzionale a quella che ha realmente rispetto al nostro pianeta, alla stessa velocità completerebbe un singolo giro completo attorno al Sole in ben 10 099 minuti, cioè 168,3 ore: praticamente una settimana di viaggio ininterrotto.

Come è fatta la superficie del Sole ?

In base a quello che siamo riusciti a misurare e capire ad oggi come umanità della Terra, la superficie solare non è né solida, né liquida, né gassosa. Non ha nemmeno una separazione netta con lo spazio: la densità delle particelle che compongono la parte esterna del Sole aumenta gradualmente man mano che ci si addentra verso il suo interno.

La superficie solare esterna visibile, chiamata fotosfera, è la zona dal quale l’energia proveniente dall’interno della stella è libera di propagarsi nello spazio. È la zona sede di fenomeni come le macchie solari, i brillamenti e le espulsioni di massa coronale: è composta da materia sottoforma di plasma ed è caratterizzata da una densità di 1023 particelle al metro cubo; centomila miliardi di miliardi di particelle per ogni metro cubo. Sembra una quantità enorme ma questa densità di particelle di plasma solare equivale a circa l’1% della densità dell’atmosfera terrestre al livello del mare.

Questo stato della materia chiamato dagli scienziati plasma, è considerato un vero e proprio stato della materia separato dagli altri tre consueti che possiamo toccare con mano qui sul nostro pianeta. In poche parole data l’elevata temperatura presente, gli atomi di idrogeno e di elio presenti si disgregano naturalmente, creando quindi particelle sia di carica elettrica positiva che negativa.

Schema rappresentativo degli stati della materia in base all’aggregazione delle molecole

Ora dato che il Sole è composto dall’elemento idrogeno per il 74% e dall’elemento elio per il 24% circa della totalità della sua massa e, dato che la forma più comune in natura dell’atomo di idrogeno è quella con un singolo protone al centro e un singolo elettrone che gli orbita attorno, avremo che la stragrande maggioranza del plasma solare è formato da protoni con carica positiva ed elettroni con carica negativa che sono liberi di muoversi indipendentemente.

Una logica considerazione che sorge spontanea osservando l’immagine sopra riportata, molto probabilmente scontata per chi è uno scienziato, studioso o ricercatore del settore, è che è la quantità di energia a dare forma e cambiare le proprietà della materia che noi conosciamo.
Basti pensare all’acqua: può essere ghiaccio, liquida o vapore in base alla sua temperatura.

Le recenti teorie della fisica quantistica assegnano ad ogni particella un certo stato di energia vibrazionale: il passaggio di stato energetico di una particella è definibile come una transizione vibrazionale. La sua quantità di energia, e quindi la forma che assume l’elemento o la molecola, è data dalla sua vibrazione intrinseca. Un concetto molto molto interessante che sarà fonte di adeguati approfondimenti futuri.

Tornando al Sole, tutta la sintetica spiegazione sugli stati della materia che abbiamo cercato di fornire nella maniera più semplice possibile (ma senza approssimare troppo i concetti specifici) era mirata a far comprendere al lettore che il plasma solare è composto essenzialmente dalle particelle base di cui è composta la materia che conosciamo: protoni ed elettroni.

Plasma solare: i mattoni base di cui è costituita la materia

Protuberanza solare ripresa dal Solar and Heliospheric Observatory il 03 giugno 2024

Il video sopra riportato ritrae un enorme protuberanza che si innalza dalla superficie del Sole, composta da plasma solare. L’altezza dalla superficie di questo vortice è pari a 5 volte il diametro del nostro pianeta: è il risultato dell’interazione tra i potentissimi campi magnetici generati dalla nostra stella con inimmaginabili quantità di particelle come elettroni e protoni.

Tutto quello che vediamo nel video, sia i filamenti più “luminosi” che le zone “meno luminose” sono composti quasi totalmente da particelle infinitesimamente piccole, di dimensioni sub-atomiche: particelle più piccole dell’atomo più piccolo.
E’ bene ricordare che queste immagini e in generale tutte le immagini che vengono divulgate sul disco solare sono realizzate utilizzando esclusivamente poche frazioni infinitesimali selezionate rispetto a tutta la luce e l’energia che il Sole emana costantemente. Dal vivo, dal vero, la scena riportata in questo semplice video sarebbe di una luminosità a dir poco accecante.

Come abbiamo già accennato prima un protone e un elettrone, alla temperatura più bassa di quella che caratterizza lo stato di plasma, sono i costituenti di un atomo di idrogeno: l’atomo più semplice, il più disponibile in quantità nell’universo e il più leggero di tutti quelli presenti in natura.

Altre riprese realizzate con un campo inquadrato più ampio della stessa protuberanza solare del 03 giugno 2024 sopra presa in esame sono disponibili al seguente link e anche al seguente link.

Dettaglio del plasma solare “incanalato” dai campi magnetici, ripreso il 10 giugno 2024
(Crediti: SDO/ESA/NASA/Helioviewer)

Possiamo affermare indubbiamente che quello che viene chiamato plasma, quindi e soprattutto il plasma solare è la forma di materia più vicina allo stato di energia pura.
È come se fosse uno stato della materia molto avanzato, una via di mezzo tra materia ed energia.

Con l’aumentare della temperatura, o meglio della quantità di energia, abbiamo visto che i singoli atomi che costituiscono la materia che noi conosciamo, tendono a disgregarsi nelle particelle sub-atomiche che li compongono: semplificando gli atomi si disgregano in neutroni, protoni ed elettroni.

È a dir poco interessante pensare che nell’Universo in cui siamo stati capaci di osservare finora, i più grandi agglomerati di materia visibile, le stelle, siano intimamente composte per la maggior parte da particelle sub-atomiche costituenti gli atomi (neutroni, protoni ed elettroni), allo stato libero e non aggregati tra loro.

L’estremamente grande composto dall’estremamente piccolo.

Ancora oggi molte persone per analogia con un qualcosa di tangibile, di più facilmente comprendibile, associano il Sole ad una enorme palla di fuoco.
In realtà non è corretta questa similitudine: tecnicamente il fuoco è il prodotto della reazione chimica di ossidazione tra un combustibile e un comburente; semplificando, sulla Terra un combustibile brucia perché interagisce con l’ossigeno dell’aria, liberando energia sottoforma di calore, fiamma e generando fumo.
La materia che compone il Sole è ad un livello diverso, direi più raffinato. Utilizzando un esempio con un qualcosa a noi più familiare, la composizione del Sole e di tutte le altre stelle che vediamo di notte brillare nel cielo stellato, è molto simile a ciò che costituisce un fulmine.

Forse per noi esseri umani lo stato fisico della materia di plasma è già concepibile come più vicino all’energia che rispetto alla materia con cui siamo abituati ad interagire.

Notizie e dati raccolti da

Andrea Macchiarini

15 giugno 2024

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Immagine in evidenza:
– fermo immagine tratto dal video https://x.com/JAL495588/status/1799563931876299245

Bibliografia e siti internet consultati:
– https://solar-center.stanford.edu/vitalstats.html
– https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/04/sp-4029.pdf
– https://academic.oup.com/astrogeo/article/41/1/1.12/182262?login=false
– https://sci.esa.int/web/cassini-huygens/-/39218-huygens-descent-to-titan-surface
– Furniss, Tim (2003). “Chapter 5: Apollo”. A History of Space Exploration: And Its Future. Lyons Press. p. 67
– https://spotthestation.nasa.gov/tracking_map.cfm
– Peter Atkins, Julio De Paula, Chimica Fisica, 4ª ed., Bologna, Zanichelli, settembre 2004
La morte del Sole, in Costruire il sistema solare, vol. 4, Eaglemoss, 2011, p. 8.
– https://books.google.it/books?id=qPxiBAAAQBAJ

Immagini:
– fermo immagine tratto dal video https://sci.esa.int/web/cassini-huygens/-/39218-huygens-descent-to-titan-surface
– https://www.astropa.inaf.it/luglio-2017-la-ricerca-in-evidenza-il-sole-un-laboratorio-unico-per-la-fisica-del-plasma/
– fermo immagine tratto dal video https://x.com/JAL495588/status/1800079915758555607

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