Barbara Ricci Universita’ di Ferrara & INFN-Ferrara I terremoti nel Sole Barbara Ricci Universita’ di Ferrara & INFN-Ferrara Ferrara, 11 Aprile 2003

Utile riferimento: http://bigcat.phys.au.dk/helio_outreach/english/ Indice: Le principali caratteristiche solari, determinabili con osservazioni Eliosismologia: possiamo “ascoltare” oltre che vedere! Informazioni eliosismologiche Attivita’ a Ferrara Utile riferimento: http://bigcat.phys.au.dk/helio_outreach/english/

Chi misuro’ per primo la massa del sole? Galileo Einstein Cavendish Cavendish Ricci

Massa Solare Dal moto dei pianeti si ricava la costante di Gauss, cioe’ il prodotto tra la costante di gravitazione universale e la massa del sole (cg=GNMS) Cavendish, con la sua bilancia a torsione misuro’ la costante di gravitazione universale (GN) e quindi si puo’ ricavare: MS » 2 x 1030 kg 1s error Circa 300 000 volte la massa della terra Notazione esponenziale: 1030 =1 000 000 … … … 000 30 zeri ! MTerra=5,974(1 ± 0,013%) 1024 kg MS= 1,989 (1 ± 0,15%) 1030 kg GNMS=(132 712 438 ± 5) 1012 m3/s2

Luminosita’ solare Sulla terra arriva mediamente un flusso di energia di circa 1 KW per metro quadro (costante solare) Conoscendo la distanza terra-sole possiamo calcolare la potenza prodotta dal sole: Ls » 4 x 1026 Watt Circa un miliardo di milioni (1015) di centrali elettriche! 150 milioni di km Ls=3.844(1 ± 0.4%) 1026 Watt

Raggio solare: distanza tra il centro del sole e la superficie visibile (fotosfera) Rs » 700 000 km Terra RT »6000 km 11/08/99 Rs=6,9598(1+0.04%) 108 m 11/08/99

Eta’ del sole Datazione radiochimica degli oggetti piu’ vecchi nel sistema solare, meteoriti condritiche: ts » 4,6 miliardi di anni Ne vivra’ ancora altrettanti prima di diventare una gigante rossa per poi spegnersi come nana bianca tt» 4,5 Miliardi di anni Problemi: Relazione tra eta’ delle meteoriti e l’eta’ del sole Da quando si comincia a contare l’eta’ del sole?

Composizione chimica e Temperatura superficiale Circa il 70% della massa del sole è costituita da idrogeno, il 28% circa da elio* e il restante 2% da atomi più pesanti, quali ossigeno, carbonio ecc. La Temperatura superficiale (fotosfera) e’ di circa 6000 gradi Kelvin *L’elio e’ stato scoperto per la prima volta nel sole nel 1895 (sulla terra 35% di Fe, 30% di O, 25% di Si) (sulla terra e’ circa 300 K)

Diverse immagini del sole IR X UV radio visibile !!! FALSI COLORI !!! Luce bianca Freqeuenze delle figure X= 0.3 –0.45 nm UV= 19.5nm Luce bianca circa 600 nm IR = 1083 nm Radio =1.7cm

Riconoscere gli strumenti ! Sappiamo riconoscere uno strumento dal suono che esso emette, dal modo in cui esso vibra Possiamo ricostruire di che materiale e’ fatto e la sua geometria Suono= onda longitudinale di pressione, dipende dalla pressione e dalla densita’ del mezzo Sound effects by F. Cibinetto & G. Marchiori

La musica del sole FALSI TONI !!!! In realta’ le vibrazioni del sole hanno frequenze dell’ordine del mHz, non percepibili dall’orecchio umano (sensibile a 16-20 000 Hz). Per rendere udibili gli infrasuoni del sole si e’ aumentato il numero di giri di circa 40 000 volte (15 ottave !) Queste vibrazioni del sole sono state scoperte negli anni ’60. Il loro periodo e’ di circa 5 minuti

Che succede alla superficie del sole? + + = Lo studio delle vibrazioni superficiali permette di avere informazioni sulla materia all’interno del sole (come il frangersi delle onde sulla spiaggia porta informazioni sulle condizioni del mare al largo) Pictures and animatrions from: http://bigcat.phys.au.dk/helio_outreach/english/ BLU:movimento verso l’esterno ROSSO: movimento verso l’interno BIANCO: assenza di moto (linee nodali)

Eliosismologia seismos = movimento logos = ragionamento elios = sole seismos = movimento logos = ragionamento Studio dei movimenti nel sole (Geo)sismologia = studio della struttura interna della terra dall’analisi della propagazione delle onde sismiche “Ascoltando” le vibrazioni sulla superficie solare e’ possibile studiare come e’ fatto il sole nel suo interno !

MA COME POSSO PERCEPIRE QUESTE VIBRAZIONI DEL SOLE? FRA NOI ED IL SOLE NON C’E’ ARIA => IL SUONO NON SI PROPAGA NEL VUOTO !!!! QUESTE VIBRAZIONI SI “VEDONO” CON L’ AIUTO DEL SIG. DOPPLER…

L’effetto Doppler in acustica La frequenza del suono emesso da una sorgente dipende dalla velocità della sorgente n = no( 1 + V// /Vsuono) se la sorgente si avvicina (V// > 0) il suono è piu’ acuto se la sorgente si allontana (V// < 0) il suono è più grave

L’effetto Doppler e.m. Lo stesso effetto si ha anche per le onde elettromagnetiche La frequenza della luce, osservata sulla terra, emessa dai punti della fotosfera dipende dal modo in cui questi stanno vibrando Se si avvicinano alla terra la luce emessa sara’ spostata verso il blu, se si allontanano dalla terra sara’ spostata verso il rosso L’effetto Doppler permette di misurare fino a velocita’ di oscillazione di pochi mm/s *per le onde e.m. c’é anche un effetto “trasversale”

Immagine Doppler Una “foto istantanea” delle oscillazioni del sole (sovrapposizione di 100 000 modi) from: http://bigcat.phys.au.dk/helio_outreach/english/

Osservazioni da Terra Per osservare le oscillazioni bisogna avere una sequenza di immagini doppler, piu’ breve e’ l’intervallo temporale tra immagini consecutive, piu’ facile e’ vedere l’oscillazione. Problema: il sole generalmente e’ sopra l’orizzonte per meta’ giornata GONG Network telescopi identici situati a diverse longitudini. Global Oscillation Network Group (GONG) Birmingham Solar Oscillations Network (BiSON).

Osservazioni da satellite Avere un satellite che guarda permanentemente il sole (niente giorno/notte e niente nuvole !) 1995: lancio di SoHo (Solar and Heliospheric Observatory) in orbita sincrona con il periodo di rivoluzione della Terra D=1.5 Milioni di km D Animation effect by G.Marchiori

Un’occhiata all’interno Nucleo (1/3 Ms): reazioni di fusione nucleare: in 1 sec 700.000.000 di ton di H sono convertite in He, liberando energia T » 16 milioni di gradi Zona radiativa (2/3 Ms) : l’energia e’ trasportata dai fotoni, cioè dalla rad. e.m. Zona convettiva (2% Ms): l’energia e’ trasportata dalla convezione, cioè dalla materia Fotosfera: sottile strato dal quale riceviamo la luce visibile. T » 6000 gradi. Costituisce la "superficie" del Sole ATTENZIONE ! Il sole e’ opaco alla radiazione. La luce che arriva a noi proviene dalla superficie (fotosfera) e non direttamente dal centro Nucleo (0-0.1)Rs 1/3 Ms: reazioni di fusione nucleare: in 1 sec 700.000.000 di ton di H sono convertite in He, liberando energia T » 16 milioni di gradi Zona radiativa (0.1-0.7)Rs 2/3 Ms: l’energia e’ trasportata dai fotoni, cioè dalla rad. e.m. Zona convettiva (0.7-1) Rs 1/60 Ms: l’energia e’ trasportata dalla convezione, cioè dalla materia Fotosfera (spessore: » 300 km): sottile strato dal quale riceviamo la luce visibile. T » 6000 gradi. Costituisce la "superficie" del Sole Cromosfera (spessore: circa 14 000 km)La temperatura aumenta con l'altezza, fino a qualche decina di migliaia di gradi.Particolarmente spettacolari ed energetici sono i brillamenti (o eruzioni cromosferiche); le protuberanze eruttive sono grandi getti di gas che si innalzano a molte decine di migliaia di chilometri di altezza. Corona: Molto rarefatta, si estende per milioni di chilometri e si espande formando il vento solare

Chi fa suonare il sole? Il trasporto macroscopico e turbolento di materia nella zona convettiva del sole produce le vibrazioni della superficie solare In prossimita’ delle zone superficiali de sole si generano delle onde di pressione (onde acustiche) che restano intrappolate all’interno del sole

Onde acustiche all’interno del sole La propagazione e la sovrapposizione di queste onde acustiche fanno oscillare gli strati superficiali del sole Osservando le vibrazioni superficiali possiamo avere informazioni sull’interno del sole ! Pictures and animatrions from: http://bigcat.phys.au.dk/helio_outreach/english/

Andamento della velocità del suono v[km/s] R/Rs Andamento della velocità del suono SOLE - sole : v=100 km/s terra: v=8 km/s - si determina v con precisioni dell’ordine di 1/1000 - nel sole la velocità del suono è continua, nella terra è discontinuia TERRA

Transizione fra convezione e radiazione La velocita’del suono e’ continua,ma la sua derivata e’ discontinua nella zona di transizione v[km/s] R/Rs Rtr = 0.711 (1±0.1%) Rs

Rotazione del sole giorni Rotazione differente ai poli e all’equatore, non e’ una novita’…. 0.1 Rs 0.7 Rs

Rotazione del sole giorni Rotazione differente ai poli e all’equatore, non e’ una novita’…. Al di sotto della zona convettiva il sole ruota quasi uniformemente Sulla rotazione del nucleo ancora non si riesce a dire niente 0.1 Rs 0.7 Rs

Asterosismologia Boote h Osservazione dei “terremoti” nelle altre stelle, in modo da avere informazioni complementari a quelle ottenibili dalla sola Luminosita’ e temperatura superficiale Le stelle appaiono puntiformi, si riescono a misurare un minor numero di modi di oscillazione. Ad es.: 13 modi per la h Bootis osservati con telescopio a La Palma Con strumenti su satellite aumenteranno le informazioni

Cosa facciamo a Ferrara ? Usiamo il sole come “laboratorio” per lo studio teorico delle reazioni nucleari e subnucleari L’eliosismologia ci fornisce i dati osservativi con cui confrontare e predizioni teoriche (riguardo a fusioni nucleari, produzioni di neutrini e/o altre particelle esotiche) Abbiamo proposto LUNA, acceleratore realizzato al Gran Sasso per lo studio delle reazioni nucleari in condizioni simili a quelle esistenti nelle sole

Venite a trovarci...

5-11 Maggio 2003

Immagine Doppler … sottraendo la rotazione vediamo le oscillazioni del sole (sovrapposizione di 100 000 modi) -2 Km/s +2 Km/s Rotazione del sole, Periodo equatoriale: 25 giorni Periodo polare: 30 giorni (non e’ una novita’…)

Strati piu’ esterni 24/7/99 Large, eruptive prominence in He II at 304Å, with an image of the Earth added for size comparison. This prominence from 24 July 1999 is particularly large and looping, extending over 35 Earths out from the Sun. Erupting prominences (when Earthward directed) can affect communications, navigation systems, even power grids, while also producing auroras visible in the night skies. Cromosfera: h» 14 000 km La temperatura aumenta con l'altezza, fino a qualche decina di migliaia di gradi. brillamenti: getti di gas che si innalzano a molte decine di migliaia di chilometri di altezza. EIT 304Å image of a huge, handle-shaped prominence taken on Sept. 14, 1999 -- Prominences are huge clouds of relatively cool dense plasma suspended in the Sun's hot, thin corona. At times, they can erupt, escaping the Sun's atmosphere. Emission in this spectral line shows the upper chromosphere at a temperature of about 60,000 degrees K. Every feature in the image traces magnetic field structure. The hottest areas appear almost white, while the darker red areas indicate cooler temperatures. Corona Molto rarefatta si estende per milioni di chilometri e si espande formando il vento solare

Effetto doppler Elettromagnetico:

Macchie solari Campo magnetico= 0.25 * 10^4 Gauss Cinesi 28 a.C. Galileo e altri (1600) T=3000 K Ciclo undecennale Campo magnetico= 0.25 * 10^4 Gauss (Una calamita: 10-100 Gauss, la terra 0.5 Gauss)

Solar rotation Solar surface does not rotate uniformely: T=24 days (30 days) at equator (poles). And the solar interior? Helioseismology (after 6 years of data taking) shows that below the convective region the sun rotates in a uniform way E_rot =3 10-2 eV Note: Erot =1/2 m wrotR2 » 0.02 eV Erot << KT

Magnetic field From the observation of sunspots number a 11 year solar cycle has been determined (Sunspots= very intense magnetic lines of force (3KG) break through the Sun's surface) the different rotation between convection and radiative regions could generate a dynamo mechanism and B= 104- 105 G near the bottom of the convective zone. A primordial 106G field trapped in the radiative zone is proposed by some authors Anyhow also a 106G field give an energy contribution << KT

Inversion method Calculate frequencies wi as a function of u => wi = wi(uj) j=radial coordinate Assume Standard Solar Model as linear deviation around the true sun: wi=wi, sun + Aij(uj-uj,sun) Minimize the difference between the measured Wi and the calculated wi In this way determine Duj =uj -uj, sun