Credits: NASA/SDO (AIA)
in foto: Credits: NASA/SDO (AIA)

È la stella più vicina alla Terra, il motore di tutta la meteorologia terrestre, influenza il clima, rende possibili le stagioni, permette la fotosintesi, sta alla base di ogni ecosistema terrestre, ci dona luce, calore ed energia. Stiamo parlando del Sole, naturalmente! Composto per il 75% circa in massa da idrogeno, il Sole è una stella classificata come nana gialla e la sua massa è così grande da corrispondere al 99,86% di quella dell'intero Sistema Solare! Andiamo quindi a vedere le caratteristiche di questa stella, la sua storia e il suo "funzionamento".

Caratteristiche del Sole

Il Sole è una delle circa 300 miliardi di stelle nella nostra galassia, la Via Lattea. È un astro tutto sommato abbastanza comune: né troppo grande né troppo piccolo, né troppo freddo né troppo caldo.

Ha una temperatura superficiale di 5500 °C, abbastanza per fondere qualunque materiale conosciuto, naturale o artificiale. Ha un diametro di quasi 1.400.000 km, che è circa 110 volte il diametro terrestre. La sua massa è di 2000 miliardi di miliardi di miliardi di tonnellate: circa 330.000 volte la massa del nostro pianeta. Pensate che il Sole contiene da solo il 99,86% della massa dell’intero Sistema Solare!
Si trova mediamente a 149.600.000 km dalla Terra. Questa distanza è nota come Unità Astronomica (UA) e la luce impiega 8 minuti e 19 secondi per percorrerla.

Il Sole è una stella abbastanza periferica nella Via Lattea. Se il disco della nostra galassia ha un raggio di circa 50.000 anni luce, il Sole si trova più o meno a metà, a circa 27.000 anni luce dal centro galattico. Come tutte le altre stelle della Via Lattea, il Sole partecipa alla rotazione della galassia. Per compiere un giro completo impiega circa 230 milioni di anni, tempo che gli astronomi chiamano anno galattico. L’universo, per esempio, con i suoi 13,8 miliardi di anni di età oggi ha 60 anni galattici!

La posizione del Sole nella Via Lattea
in foto: Questa illustrazione artistica mostra l’esatta posizione del Sole all’interno della nostra galassia.
Credits: NASA/JPL–Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech)

Come funziona il Sole?

Per essere definito “stella”, un corpo celeste deve avere al suo interno reazioni di fusione termonucleare. Queste reazioni avvengono quando due nuclei atomici hanno abbastanza energia per collidere e fondersi in un nucleo più grande. Nel Sole, per esempio, quattro nuclei di idrogeno (cioè protoni) sono coinvolti in una serie di reazioni che hanno come risultato finale un nucleo di elio.

Schema delle reazioni nucleari che avvengono all'interno del Sole, con cui viene prodotto l'elio.
in foto: Schema delle reazioni nucleari che avvengono all’interno del Sole, con cui viene prodotto l’elio.
(credit: Doctor C, CC BY–SA 4.0, via Wikimedia Commons).

Ogni secondo, nella parte centrale del Sole 600 milioni di tonnellate di nuclei di idrogeno (cioè protoni) si fondono per formare 596 milioni di tonnellate di nuclei di elio. Dove finiscono le 4 milioni di tonnellate che mancano all’appello? Vengono trasformate in energia, grazie all’equazione più famosa di tutta la fisica: E = mc². Ogni secondo il Sole produce una quantità di energia equivalente a quella di 6000 miliardi di bombe Hiroshima.

Questa energia viene liberata sotto forma di fotoni, cioè luce. Quando i fotoni vengono prodotti sono altamente energetici, ma a furia di “rimbalzare” all’interno del Sole (il processo può durare anche più di 100.000 anni) perdono energia fino a rientrare nello spettro della luce visibile, cioè quella che i nostri occhi possono vedere. Insomma, l’energia che il Sole ci manda era prima contenuta nei suoi protoni!

L'origine del Sole

Il Sole si è formato circa 4,6 miliardi di anni fa dal collasso di una nube di gas, dovuto probabilmente dall’esplosione di un’antica supernova. La compressione provocata dall’onda d’urto ha aumentato la temperatura e la pressione della nube sempre più, fino a innescare al suo interno reazioni di fusione nucleare che trasformano l’idrogeno in elio.
Il materiale che non è collassato nel neonato Sole si organizzò in un disco orbitante attorno alla stella, chiamato disco protoplanetario. A suon di collisioni, da questo disco si formarono tutti i pianeti e i corpi minori del sistema solare.

Disco protoplanetario attorno alla stella Elias 2-27.
in foto: Disco protoplanetario attorno alla giovanissima stella Elias 2–27, a circa 450 anni luce da noi, osservato nelle onde radio dall’osservarorio ALMA in Cile. Credits: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Dal momento della sua nascita, il Sole ha continuato a fondere idrogeno in elio. Quando l’idrogeno a disposizione nel nucleo terminerà, tra circa 4,5 miliardi di anni, il Sole diventerà una gigante rossa, in cui l’elio si fonde per formare carbonio. Il suo raggio aumenterà di oltre 200 volte: Mercurio, Venere e probabilmente anche la Terra verranno inghiottiti.
Durante la fase di gigante rossa, il Sole perderà gradualmente i suoi strati più esterni, esponendo infine il suo nucleo di carbonio e ossigeno, caldissimo e inerte (cioè non più in grado di ospitare reazioni termonucleari). A quel punto il Sole sarà diventato una nana bianca e avrà un raggio di circa 7000 km, come la Terra.

Per circa 10.000 anni la radiazione emessa dalla nana bianca illuminerà gli strati esterni precedentemente espulsi durante la fase di gigante rossa, andando così a creare una nebulosa planetaria.

La nebulosa planetaria "Occhio di gatto".
in foto: La nebulosa planetaria "Occhio di Gatto" osservata dal telescopio spaziale Hubble. Si nota distintamente la nana bianca che la illumina.
Credits: ESA, NASA, HEIC and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

La nana bianca si spegnerà poi molto lentamente, man mano che si raffredderà. Infine, il carbonio contenuto nella nana bianca cristallizzerà fino a trasformarsi in un gigantesco diamante grande più o meno come la Terra!

La composizione del Sole

Come ogni altra stella, il Sole è composto da plasma, cioè gas i cui atomi sono scomposti in nuclei ed elettroni liberi per via delle altissime temperature. Il 75% circa della massa del Sole è composto da idrogeno, il 23% da elio e meno del 2% da atomi più pesanti, principalmente ossigeno (1%) e carbonio (0,3%). Questi atomi provengono da stelle morte prima che il Sole nascesse. La loro massa è trascurabile rispetto a quella complessiva del Sole, ma è comunque pari a circa 6000 masse terrestri!

La superficie del Sole

Essendo composto di plasma, il Sole non ha una superficie solida. La superficie che noi vediamo prende il nome di fotosfera, uno strato molto sottile (circa 500 km) da cui proviene la maggior parte della radiazione che riceviamo dal Sole.
La fotosfera ha una temperatura di circa 5500 °C ed è composta da tantissime celle, dette granuli, grandi circa 1000 km. Ciascun granulo dura circa 8 minuti per poi scomparire, ma se ne formano continuamente di nuovi. Sono il risultato di moti convettivi che avvengono sotto la fotosfera: il plasma caldo sale in superficie e poi ridiscende. È esattamente quello che accade all’acqua che bolle in una pentola!

Granuli solari osservati dalla sonda Solar Orbiter.
in foto: Granuli solari osservati dalla sonda Solar Orbiter nel 2020.
Credits: Solar Orbiter/PHI Team/ESA & NASA

L’attività solare

Sulla fotosfera si possono osservare le macchie solari, cioè regioni relativamente scure rispetto al resto della superficie che possono presentarsi isolate oppure a grappoli.

Macchie solari osservati dalla sonda SOHO nel 2003.
in foto: Macchie solari osservate dalla sonda SOHO nel 2003.
Credits: ESA

Sono caratterizzate da temperature inferiori al resto della fotosfera (circa 3700 °C) e da un’intensa attività magnetica. La loro abbondanza non è costante nel corso del tempo, ma cresce e diminuisce secondo un ciclo che dura circa 11 anni e prende il nome di ciclo solare. Il Sole è più attivo quando ha tante macchie solari e raggiunge il suo minimo di attività quando le macchie scompaiono. Nel dicembre del 2019 è iniziato ufficialmente il 25° ciclo solare da quando l’attività del Sole viene registrata.

Altri fenomeni legati all’attività solare sono i brillamenti (eruzioni di materia nella fotosfera dovuti all’interazione del plasma con il campo magnetico del Sole) o le espulsioni di massa coronale (getti di materia che avvengono nella parte più esterna dell’atmosfera del Sole, la cosiddetta corona).

Brillamento solare osservato dalla sonda Solar Dynamics Observatory nel 2013.D
in foto: Brillamento solare osservato dalla sonda Solar Dynamics Observatory nel 2013.
Credits: NASA/SDO

Questi fenomeni possono avere un’influenza anche importante qui sulla Terra. Quando il materiale eruttato dal Sole raggiunge la Terra si può avere una tempesta geomagnetica, cioè un disturbo temporaneo (1-2 giorni) nella magnetosfera terrestre. Si possono formare aurore polari molto intense o visibili anche a basse latitudini, disturbi alle telecomunicazioni e addirittura black-out.
La più intensa tempesta geomagnetica mai registrata avvenne nel settembre del 1859. Le reti telegrafiche smisero di funzionare e si osservarono aurore anche alle nostre latitudini. Il giorno prima l’astronomo Richard Carrington aveva osservato (per la prima volta nella storia) un brillamento, provenire da un gruppo di macchie solari. Quella tempesta geomagnetica oggi è nota come evento di Carrington.

Schema di una tempesta geomagnetica.Credits: NASA
in foto: Schema di una tempesta geomagnetica.
Credits: NASA

La meteorologia del Sole

Eventi come quello di Carrington, per quanto rari, possono provocare danni ingentissimi alla nostra società. Perderemmo completamente le comunicazioni radio, innumerevoli satelliti, compromettendo seriamente servizi come Internet, il GPS e i sistemi di transizione del denaro, per non parlare della rete elettrica.
Al momento, però, non abbiamo abbastanza conoscenze per poter prevedere le tempeste solari. Per questo motivo è di fondamentale importanza migliorare la nostra conoscenza della meteorologia solare. Questo è infatti uno degli obiettivi primari delle missioni che stanno studiando la nostra stella, tra cui le più recenti sono l’americana Parker Solar Probe e l’europea Solar Orbiter.

Articolo a cura di
Filippo Bonaventura