Il Sole e il mistero dei raggi gamma

I raggi gamma – la luce di energia più elevata – emessi dalla nostra stella sono sette volte più abbondanti di quanto atteso, e presentano un "buco" in un certo intervallo di frequenze. Queste caratteristiche, evidenziate dalle osservazioni del telescopio spaziale Fermi della NASA, indicano che c'è ancora del lavoro da fare per capire il comportamento del campo magnetico del Sole, ma potrebbero anche nascondere una fisica del tutto nuova

di Natalie Wolchover/Quanta Magazine

Un decennio di osservazioni astronomiche del Sole ha rivelato un mistero sorprendente: i raggi gamma, le onde di luce di più alta frequenza, si irradiano dalla stella più vicina a noi con un’abbondanza sette volte maggiore del previsto. Ancora più strano di questo eccesso estremo di raggi gamma è il fatto che una stretta banda di frequenze sia curiosamente assente.

La luce in eccesso, la lacuna nello spettro e altre sorprese riguardo al segnale dei raggi gamma solari potrebbero indicare caratteristiche sconosciute del campo magnetico del Sole o una fisica più esotica.

"È incredibile che ci siamo sbagliati così tanto su qualcosa che dovremmo capire molto bene: il Sole", ha dichiarato Brian Fields, astrofisico delle particelle all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.

Il segnale inaspettato è emerso dai dati del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi, un osservatorio della NASA che analizza il cielo dall'orbita bassa terrestre. Via via che i dati di Fermi si sono accumulati, rivelando lo spettro dei raggi gamma provenienti dal Sole in un numero sempre maggiore di dettagli, i misteri si sono moltiplicati

Illustrazione del telescopio spaziale Fermi
(Credit NASA/Goddard Space Flight Center)Aggiungi didascalia

"Abbiamo continuato a trovare cose sorprendenti", ha detto Annika Peter della Ohio State University, coautrice di un recente libro bianco che riassume diversi anni di scoperte sul segnale dei raggi gamma solari. "È sicuramente la cosa più sorprendente a cui abbia mai lavorato”.

Il segnale dei raggi gamma non solo è molto più forte di quanto prevede una teoria vecchia di decenni, ma si estende anche verso frequenze molto più alte del previsto, e varia inspiegabilmente attraverso la faccia del Sole e durante il ciclo solare di 11 anni. Poi c'è la lacuna, che i ricercatori chiamano il "buco":

un'assenza di raggi gamma con frequenze attorno ai 10 milioni di miliardi di miliardi di hertz. "Il buco sfugge a ogni logica", ha detto Tim Linden, astrofisico delle particelle dell'Ohio State, che ha aiutato ad analizzare il segnale.

Fields, che non era coinvolto nel lavoro, ha dichiarato: "Hanno fatto un ottimo lavoro con i dati e la storia che raccontano è davvero incredibile".

I probabili protagonisti della storia sono particelle chiamate raggi cosmici, tipicamente protoni che sono stati proiettati nel sistema solare dalle onde d'urto di supernove lontane o da altre esplosioni. I fisici non pensano che il Sole emetta raggi gamma dall'interno. (Le fusioni nucleari nel suo nucleo ne producono, ma si diffondono e si trasformano in luce di energia inferiore prima di lasciare il Sole.) Tuttavia, nel 1991, i fisici David Seckel, Todor Stanev e Thomas Gaisser dell'Università del Delaware, ipotizzarono che il Sole avrebbe potuto comunque emettere nei raggi gamma, a causa dei raggi cosmici che arrivano dallo spazio e penetrano in esso.

Di tanto in tanto, argomentavano i tre ricercatori, un raggio cosmico in discesa verso il Sole sarebbe stato ributtato indietro all'ultimo secondo dal vorticoso e tortuoso campo magnetico del Sole. "Avete presente i cartone animati di Wile E. Coyote?" ha detto John Beacom, professore dello stato dell'Ohio e tra i leader dell'analisi del segnale. "Immaginate che il protone si diriga dritto verso quella sfera, e all'ultimo secondo cambi direzione e ritorni contro di voi". Ma mentre procede verso l'esterno, il raggio cosmico si scontra con il gas dell'atmosfera solare e si trasforma in una raffica di radiazioni gamma.

Dai raggi cosmici ai raggi gamma

In base alla velocità con cui i raggi cosmici entrano nel sistema solare, alla forza stimata del campo magnetico del Sole, alla densità della sua atmosfera e ad altri fattori, Seckel e colleghi hanno calcolato che il processo di riflessione all’indietro ha un'efficienza approssimativa dell'1 percento. Hanno previsto una debole emissione di raggi gamma.

Ma il telescopio Fermi rileva, in media, sette volte più raggi gamma provenienti dal disco solare di quanto previsto da questa teoria dei raggi cosmici. E il segnale diventa fino a 20 volte più forte del previsto per i raggi gamma alle frequenze più alte. "Abbiamo scoperto che il processo è coerente con un'efficienza del 100 per cento alle alte energie", ha affermato Linden. "Ogni raggio cosmico che entra dev’essere riflesso". Questo è sconcertante, perché i raggi cosmici più energetici dovrebbero essere i più difficili da riflettere.

E il modello di Seckel, Stanev e Gaisser non dice nulla di un buco. Secondo Seckel, è difficile immaginare come si può finire con un buco profondo e stretto nello spettro dei raggi gamma partendo dai raggi cosmici, che hanno uno spettro di energie uniforme. È difficile in generale avere dei buchi, ha detto: "È molto più facile ottenere gobbe che buchi. Se ho qualcosa che esce dal Sole, okay, è un canale extra. Come faccio a ottenere un canale negativo?"

Forse il forte brillamento di raggi gamma riflette una fonte diversa da quella dei raggi cosmici indicati. Ma i fisici fanno fatica a immaginare quale possa essere. Sospettavano da tempo che il nucleo del Sole potesse ospitare materia oscura e che le particelle di materia oscura, dopo essere state trascinate e intrappolate dalla gravità, potessero essere abbastanza dense da annichilarsi a vicenda. Ma come farebbero i raggi gamma prodotti dall’annichilazione della materia oscura nel nucleo a evitare la diffusione prima di sfuggire al Sole? I tentativi di collegare il segnale dei raggi gamma alla materia oscura "ricordano un macchinario inutilmente complicato", ha detto Seckel.

Alcuni aspetti del segnale riportano ai raggi cosmici e all’impianto complessivo della teoria del 1991.

L'illustrazione mostra i campi magnetici del Sole sopra un'immagine catturata dal
 Solar Dynamics Observatory della NASA il 12 marzo 2016 (NASA/SDO/AIA/LMSAL)

Per esempio, il telescopio Fermi rileva molti più raggi gamma durante il minimo solare, la fase del ciclo di 11 anni del Sole in cui il suo campo magnetico è più calmo e più ordinato. Questo è ragionevole, dicono gli esperti, se i raggi cosmici sono la sorgente. Durante il minimo solare, più raggi cosmici possono raggiungere il forte campo magnetico vicino alla superficie del Sole ed essere riflessi indietro, invece di essere deviati precocemente dal groviglio turbolento delle linee di campo che pervade il sistema solare interno in altre fasi.

D'altra parte, i raggi gamma rilevati diminuiscono in funzione della frequenza con un tasso diverso dai raggi cosmici. Se i raggi cosmici sono la sorgente, ci si aspetterebbe che i due tassi corrispondano.

Che i raggi cosmici rappresentino o meno l'intero segnale dei raggi gamma, secondo Joe Giacalone, fisico dell'eliosfera dell'Università dell'Arizona, il segnale "probabilmente ci sta dicendo qualcosa di davvero fondamentale sulla struttura magnetica del Sole." Il Sole è la stella più studiata, ma il suo campo magnetico – generato dal turbinante gorgo di particelle cariche al suo interno – rimane scarsamente comprensibile, lasciandoci un quadro sfocato del funzionamento delle stelle.

Giacalone indica la corona, la sottile busta al plasma che circonda il Sole. Per riflettere efficacemente i raggi cosmici, il campo magnetico nella corona probabilmente è più forte e orientato in modo diverso rispetto a quanto pensavano gli scienziati, dice. Tuttavia, osserva che il campo magnetico coronale dev’essere forte solo molto vicino alla superficie del Sole, in modo da non riflettere i raggi cosmici troppo presto, prima che siano entrati nella zona in cui l'atmosfera è abbastanza densa da provocare collisioni. E durante il minimo solare il campo magnetico sembra diventare particolarmente forte vicino all'equatore.

Questi nuovi indizi sulla struttura del campo magnetico potrebbero aiutare a svelare l’annoso mistero del ciclo solare.

Illustrazione del campo magnetico del Sole il 1° gennaio 1997 e il 1° giugno 2003,
secondo le misurazioni condotte dal Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) dell’ESA/NASA.
Il verde indica la polarità positiva, il viola quella negativa
(NASA’s Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio)

"Ogni 11 anni, tutto il campo magnetico del Sole si inverte", dice Igor Moskalenko, scienziato senior dell'Università di Stanford, che fa parte della collaborazione scientifica di Fermi. "Abbiamo il sud al posto del nord e il nord del sud. E' un cambiamento spettacolare. Il Sole è enorme, e attualmente nessuno sa perché osserviamo questo cambiamento di polarità e perché è così periodico”. I raggi cosmici – continua – e il modello dei raggi gamma che producono “possono rispondere a questa domanda molto importante: perché il Sole cambia la polarità ogni 11 anni?”.

Ma non ci sono buone ipotesi su come il campo magnetico del Sole possa creare il buco nello spettro dei raggi gamma a 10 milioni di miliardi di miliardi di hertz. È una caratteristica così insolita che alcuni esperti dubitano che sia reale. Ma se l'assenza di raggi gamma intorno a quella frequenza è un errore di calcolo o un problema con gli strumenti di Fermi, nessuno ne ha capito la causa. "Non sembra avere alcun effetto strumentale", dice Elena Orlando, astrofisica di Stanford e membro del team di Fermi.

Quando Peter, Linden, Beacom e i loro collaboratori hanno trovato il buco nei dati di Fermi lo scorso anno, si sono impegnati a fondo per eliminarlo prima di pubblicare la loro scoperta. "Penso che nell'appendice ci siano 15 pagine con i vari test che abbiamo effettuato per vedere se stavamo facendo male i calcoli", ha detto Linden. "Statisticamente, il buco appare in modo molto evidente."

Tuttavia, Orlando ha sottolineato che il movimento del Sole nel cielo rende l'analisi dei dati molto impegnativa. Lei ne sa qualcosa: fu lei, insieme a un collaboratore, a scoprire il flusso di raggi gamma provenienti dal Sole per la prima volta nel 2008 utilizzando il satellite EGRET, il predecessore di Fermi. Orlando è stata anche coinvolta nell'elaborazione dei dati dei raggi gamma di Fermi. A suo avviso, saranno necessari più dati e analisi indipendenti per confermare che il buco nello spettro è reale.

Un malfunzionamento del pannello solare ha tenuto il telescopio Fermi per lo più puntato lontano dal Sole per l'ultimo anno, ma sono stati trovate soluzioni alternative, giusto in tempo per il minimo solare. Le linee del campo magnetico del Sole sono curvate ordinatamente da un polo all'altro; se questo minimo solare è come l'ultimo, il segnale dei raggi gamma è ora al suo massimo. "E' ciò che rende questo così eccitante", ha detto Linden. "In questo momento stiamo solo toccando il picco del minimo solare, quindi speriamo di vedere l'emissione di raggi gamma di energia più alta con diversi telescopi".

Questa volta, a raccogliere i dati insieme a Fermi ci sarà un osservatorio sulla cima di una montagna chiamato HAWC (High-Altitude Water Cherenkov). HAWC rileva raggi gamma a frequenze più alte di Fermi, che rivelano più cose sul segnale. Gli scienziati sono anche ansiosi di vedere se la distribuzione spaziale dei raggi gamma cambia rispetto a 11 anni fa, perché i raggi cosmici rimangono carichi positivamente ma i poli nord e sud del sole si sono invertiti.

L'esperimento HAWC, nel Parque Nacional Pico de Orizaba in Messico
(J. Goodman/HAWC Collaboration)

Questi indizi potrebbero aiutare a risolvere il mistero solare. Gli scienziati dell'HAWC sperano di riferire le loro prime scoperte entro un anno, e gli scienziati sia all'interno della collaborazione di Fermi sia all'esterno hanno già iniziato a leggere attentamente i dati in corso. Dal momento che la NASA è finanziata pubblicamente, "chiunque può scaricarli se vuole dare un'occhiata", ha detto Linden, che scarica quasi tutti i giorni i nuovi dati di Fermi.

"Il peggio che può accadere qui è scoprire che il Sole è più strano e più bello di quanto avessimo mai immaginato, il meglio è che scopriamo una sorta di nuova fisica", ha concluso Beacom.

(L'originale di questo articolo è stato pubblicato il 1° maggio 2019 da QuantaMagazine.org, una pubblicazione editoriale indipendente online promossa dalla Fondazione Simons per migliorare la comprensione pubblica della scienza. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)

Astro2020 Science White Paper

The Sun at GeV – TeV Energies:

Un nuovo laboratorio per la fisica delle astroparticelle

Riassunto: Il Sole è un eccellente laboratorio per la fisica delle astroparticelle, ma rimane poco compreso nelle energie GeV-TeV. Nonostante l'immensa rilevanza sia per la propagazione dei raggi cosmici sia per le ricerche sulla materia oscura, solo negli ultimi anni il Sole è diventato un obiettivo per l'astronomia di raggi gamma di precisione con lo strumento Fermi-LAT. Tra i risultati più sorprendenti delle osservazioni vi è un forte eccesso di flusso di raggi gamma GeV che fortemente si correla con l'attività solare, specialmente alle energie più elevate accessibili a Fermi-LAT. La maggior parte delle proprietà osservate dell'emissione di raggi gamma non può essere spiegata da modelli esistenti di interazioni di raggi cosmici con l'atmosfera solare. Le osservazioni dei raggi gamma GeV – TeV del Sole che attraversano un intero ciclo solare fornirebbero informazioni chiave sull'origine di questi raggi gamma e, di conseguenza, migliorerebbero la nostra comprensione dell'ambiente del Sole, nonché i primi piani per nuove ricerche di fisica, come la materia oscura . Questi possono essere integrati con nuove osservazioni con neutrini e raggi cosmici. Insieme, queste osservazioni rendono il Sole un nuovo banco di prova per la fisica delle particelle in ambienti dinamici.

1. Introduzione

Il Sole è la stella più ampiamente studiata in una moltitudine di lunghezze d'onda. Tuttavia, il suo complicato ambiente magnetico e la sua influenza sui raggi cosmici ad alte energie rimane oggetto di aperte indagini teoriche e osservative. È stato a lungo interessante per la comunità di astrofisica delle particelle per il suo ruolo nella modulazione del flusso di raggi cosmici nel sistema solare e come potenziale finestra per la fisica oltre il Modello Standard. I raggi cosmici che entrano nell'eliosfera sono soggetti agli effetti di propagazione dominati dal vento solare e dal campo magnetico solare. Il flusso di raggi cosmici varia con l'attività solare durante il ciclo di 11 anni. Negli ultimi anni, la dipendenza dal tempo e dall'energia dell'effetto dei campi magnetici solari è stata studiata anche con l'ombra del raggio cosmico del Sole [1-3].

Nell'astronomia dei neutrini e 1 GeV, il Sole è stato studiato come bersaglio per il rilevamento indiretto della materia oscura. Le ricerche per annichilire la materia oscura nel Sole sono state eseguite da Super-K [4], IceCube [5] e ANTARES [6, 7] cercando le firme dei neutrini delle interazioni della materia oscura. Negli ultimi anni, tuttavia, altri messaggeri, inclusi i raggi gamma, sono diventati sempre più importanti a causa, (a) della crescente popolarità dei modelli di materia oscura con mediatori di lunga durata, (b) progressi teorici come l'identificazione di un pavimento di neutrini per ricerche sulla materia oscura solare, (c) la prima disponibilità di dati ad alta statistica sull'emissione continua dal Sole nel regime ad altissima energia.

Le osservazioni a lunga esposizione del Sole che si estendono nella gamma GeV sono diventate realtà solo nell'ultimo decennio. Il lancio dello strumento Fermi-LAT nel 2008 ha consentito per la prima volta la misurazione di precisione del raggio gamma. L'analisi di nove anni di dati raccolti da Fermi-LAT dal Sole ha rivelato un'emissione costante molto luminosa di raggi gamma a energie superiori a 100 GeV che contraddiceva tutte le aspettative teoriche [8]. Questa emissione anomala è diventata un nuovo enigma, la cui risoluzione sarebbe un passo importante nella nostra comprensione del Sole in un intervallo di energia che prima non era accessibile.

Il problema richiede un monitoraggio continuo del Sole in una vasta gamma di energie che vanno oltre ciò che è già stato osservato da Fermi-LAT. A questo proposito, gli strumenti di rilevamento a terra, in virtù della loro progettazione, sono in grado di fornire dati continui e ad alta statistica provenienti dal sole. HAWC [3] e ARGO-YBJ [9] hanno già fornito la prima serie di forti vincoli sull'emissione multi-TeV. Di seguito passiamo in rassegna il misterioso spettro GeV del Sole, identifichiamo i limiti delle attuali ricerche di raggi gamma e neutrini e discutiamo dell'imminente progresso nel campo con dati di precisione sul Sole provenienti dalla prossima generazione di osservatori di neutrini e raggi gamma.

2 Stato osservativo e domande aperte

2.1 Emissione indotta da raggi cosmici dal sole

Il Sole è un emettitore costante di raggi gamma multi-GeV che hanno origine dai raggi cosmici galattici che interagiscono con la sua atmosfera. (L'emissione di raggi gamma dall'accelerazione di particelle durante i brillamenti solari è limitata a <4 GeV.) Esiste una componente leptonica dell'emissione che si estende fino a 20 ° attorno al Sole. Questo alone è stato rilevato in modo robusto da Fermi-LAT e concorda bene, a 0,1-10 GeV, con modelli di elettroni a raggi cosmici sottoposti a dispersione inversa di Compton da fotoni solari [10–14]. D'altra parte, un'emissione molto luminosa fino a 200 raggi gamma GeV dal disco solare non sono compresi [8, 15, 16].

Tabella 1: Differenze tra le previsioni teoriche di Rif. [17] e osservazioni di nove anni del Sole con il Fermi-LAT.

I raggi cosmici adronici che entrano nell'atmosfera solare possono subire il mirroring magnetico, provocando cascate di particelle che includono un flusso costante di raggi gamma che lasciano l'atmosfera senza assorbimento. Questo modello di produzione di raggi gamma, proposto da Seckel, Stanev e Gaisser nel 1991 [17], è in tensione con le osservazioni in vari modi. Il flusso misurato tra 0,1-10 GeV supera le previsioni teoriche di un fattore ∼ 6. In effetti, il

lux misurato a 100 GeV durante il minimo solare si avvicina molto al flusso massimo possibile (limite superiore CR in Fig. 1 e Rif. [16]) dalle interazioni dei raggi cosmici. Ciò implica che quasi ogni adrone di raggio cosmico vicino al Sole produce un raggio gamma visibile, che è un'efficienza non prevista da nessun modello teorico.

Il flusso complessivo segue uno spettro di potere-legge con un indice di ∼ E − 2,2, che è molto più difficile dell'indice E − 2,7 atteso (seguendo lo spettro dei raggi cosmici). Lo spettro mostra anche un misterioso calo intorno a 40 GeV senza spiegazioni teoriche [8, 16].

Un'altra interessante osservazione è che l'emissione è anti-correlata all'attività solare, con i fotoni a più alta energia prodotti durante il minimo solare [16]. Anche questa variazione temporale del flusso non era prevista dalla teoria. Questa è la prima istanza osservata del Sole che mostra variabilità a energie così elevate. Inoltre, uno studio di immagini disco risolte di Linden et al. [16] ha riscontrato che l'emissione non è uniforme su tutto il disco. In particolare, ha una componente polare che è approssimativamente costante nel tempo e una seconda componente equatoriale che è più luminosa durante il minimo solare. Non è stato trovato nessun meccanismo sottostante per spiegare queste misteriose caratteristiche.

La tabella 1 riassume le discrepanze tra teoria e osservazione. Affrontare queste discrepanze richiede un'indagine dettagliata di potenziali meccanismi che possono migliorare il flusso di raggi gamma e rispondere alle seguenti domande,

• Fino a che punto della gamma GeV-TeV si estende l'emissione senza un limite di rigidità?
• Cosa ci dice dell'estensione spaziale dei campi magnetici che confinano i raggi cosmici vicino al Sole?
• L'emissione luminosa vista durante l'ultimo minimo solare (2008-2010) si ripeterà nel ciclo successivo (2019-2019)? L'ampiezza della modulazione è costante da un ciclo all'altro?
• C'è un contributo all'emissione da un nuovo meccanismo e come possiamo usare le informazioni spettrali e spaziali per distinguere tra molteplici meccanismi di produzione di raggi gamma?

2.2 Ricerche di materia oscura

La ricerca della materia oscura particellare è un'altra motivazione per gli studi di precisione del Sole alle energie GeV-TeV. La materia oscura può essere catturata gravitazionalmente nel Sole e stabilirsi in equilibrio termico nel nucleo in seguito a dispersioni con nuclei solari. La materia oscura nel nucleo può annientare per produrre particelle del Modello Standard (SM), che possono essere rilevabili all'uscita dal Sole e fungere da sonda del tasso di dispersione del protone della materia oscura [4, 18–30].

I neutrini sono l'unica particella SM che può sfuggire quando prodotta all'interno del Sole, e quindi sono la firma più ricercata di annientamento della materia oscura nel Sole. Nel caso ben motivato che il

marcare la materia prima annichilisce a mediatori di lunga durata, neutrini

può essere prodotto più lontano dal nucleo solare, e quindi sono meno attenuati. Inoltre, altre particelle SM possono sfuggire al Sole per produrre raggi gamma rilevabili [31–38]. Il primo piano principale di queste ricerche è il flusso di neutrini / raggi gamma da cascate adroniche nell'atmosfera del Sole, che è un'importante complicazione che limita la nostra sensibilità alle firme della materia oscura.

I raggi gamma e i neutrini della materia oscura hanno un profilo spettrale e angolare distinto rispetto all'emissione astrofisica di primo piano. I raggi cosmici che colpiscono la parte posteriore del Sole producono un flusso costante di neutrini ad alta energia. Il flusso di questi solari

sono stati stimati neutrini atmosferici ed è potenzialmente rilevabile con osservatori di neutrini sulla Terra [39–42]. I neutrini dall'annientamento della materia oscura solare sarebbero correlati in direzione con il centro del Sole, mentre l'emissione di neutrini in primo piano avrebbe un profilo più esteso con un tuffo verso il centro [41].

Una volta che i rivelatori di neutrini sono sufficientemente sensibili al flusso di neutrini atmosferici solari, la loro sensibilità alle ricerche sulla materia oscura si avvicinerà a un pavimento sensibile. I telescopi neutrino non sono in grado di distinguere tra flusso atmosferico solare e materia oscura a causa della loro energia limitata e risoluzione angolare.

D'altro canto, le ricerche sui raggi gamma in TeV devono ancora stabilire un livello di sensibilità.

I raggi gamma della materia oscura potrebbero essere distinti dall'emissione indotta da raggi cosmici in base al loro spettro e alla variazione temporale del flusso. Misurazioni di precisione dei primi piani astrofisici di cui sopra e la loro modellazione accurata sono le principali sfide che devono essere affrontate per le ricerche future [43].

2.3 Sfide osservative

La Figura 1 illustra lo stato attuale delle osservazioni e mostra anche le lacune in termini di sensibilità e copertura energetica necessarie per studi futuri

riempire per aiutare la nostra comprensione dello spettro del disco solare. Il Fermi-LAT è stato in grado di misurare fotoni fino a 200 GeV, oltre i quali gli esperimenti satellitari hanno una sensibilità limitata. Alle energie più elevate, i limiti più forti sono disponibili dall'Osservatorio HAWC alle energie 1–100 TeV per una ricerca effettuata al di fuori del minimo solare [3, 43] e da ARGO-YBJ sopra i 300 GeV [9]. Se lo spettro osservato da Fermi durante l'ultimo minimo solare continua nel successivo (2018-2020), allora le prospettive per un primo rilevamento TeV sono promettenti data la HAWC e l'imminente sensibilità LHAASO.

Tuttavia, a energie più basse (300–800 GeV), né HAWC né ARGO-YBJ hanno una sensibilità sufficiente per escludere una semplice estrapolazione E − 2,7 dello spettro misurato da Fermi-LAT durante qualsiasi parte del ciclo solare. Le misurazioni a lunga esposizione nella gamma di energia non coperte da Fermi o dagli attuali osservatori terrestri rappresentano una sfida osservativa chiave per il futuro.

Figura 1: lo stato osservativo e le prospettive future dello spettro dei raggi gamma solari. I punti dati rosso e blu mostrano rispettivamente le misurazioni Fermi-LAT da e durante il minimo solare. La previsione nominale da rif. [17] viene mostrato come la banda verde. I limiti di TeV da HAWC e la sensibilità LHAASO di un anno mostrano la possibilità di limitare determinate estrapolazioni del flusso di GeV [3]. (I limiti ARGO-YBJ [9] sono appena al di sotto della linea di confine superiore CR.) La linea di magenta solido rappresenta il potenziale guadagno in copertura da un array di rivelatori Cherenkov (WCD) di acqua di prossima generazione nell'emisfero meridionale [44].

Un importante parametro di riferimento per la sensibilità è il limite inferiore teorico [45] sull'emissione di raggi gamma, che è ancora tre ordini di grandezza al di sotto dei vincoli forniti da HAWC nella gamma TeV. Ciò evidenzia un'altra area dello spazio dei parametri in cui vi è un notevole margine di miglioramento per gli strumenti futuri.

3 Prospettive future per gli studi sui raggi gamma solari

3.1 Frontiera Sperimentale

Il prossimo decennio vedrà miglioramenti radicali nell'astronomia dei raggi gamma con una serie di aggiornamenti pianificati e nuovi esperimenti all'orizzonte. Mentre HAWC continuerà a monitorare il Sole almeno per la prossima metà del ciclo solare, LHAASO [46] che inizierà le operazioni nel 2020 sarà anche in grado di fornire dati utili con una sensibilità migliore rispetto a HAWC. Essendo il Sole una fonte luminosa e in movimento, è possibile sondare in modo efficiente solo utilizzando uno strumento di rilevamento a cielo aperto in grado di operare di giorno. L'osservazione del sole è quindi al di là della portata di qualsiasi telescopio per immagini Air Cherenkov (IACT) indipendentemente dalla sua sensibilità. Sebbene il CTA [47] sia un mezzo eccellente per osservazioni puntate ad alta sensibilità, non sarà in grado di sondare il Sole a causa delle intrinseche limitazioni operative. Solo le matrici a getto d'aria che monitorano l'intero cielo possono fornire dati ininterrotti e ad alta statistica provenienti dal sole. Prevediamo una crescente importanza delle indagini sinottiche per eseguire misurazioni di fonti estese impegnative che non possono essere rilevate da entrambi, i satelliti a causa della sensibilità limitata e gli IACT a causa del loro campo visivo limitato. Un nuovo osservatorio di indagine a raggi gamma nell'emisfero australe sarebbe un drastico miglioramento rispetto ai limiti delle attuali matrici. Prevediamo che la ricerca dei raggi gamma dal Sole si adatterebbe perfettamente agli obiettivi di tale strumento.

3.2 Risultati della fisica

Le misurazioni del raggio gamma ad alta statistica del Sole e una potenziale risoluzione del puzzle del raggio gamma solare sarebbero un significativo passo avanti nella nostra comprensione della propagazione locale dei raggi cosmici nell'ambiente dinamico del Sole [14, 16]. Un osservatorio sensibile ai raggi cosmici nella gamma GeV - TeV sarebbe in grado di sondare i campi magnetici coronali e interplanetari con studi a lungo termine sull'ombra del sole. Tuttavia, le misurazioni dell'ombra solare sono soggette a limitazioni della risoluzione angolare e da sole non sono in grado di fornire informazioni su quale frazione del flusso di raggi cosmici viene convertita in emissione di raggi gamma. Sono quindi indispensabili misurazioni sostenute a lungo termine del Sole nei raggi gamma.

Le osservazioni sui raggi gamma completano anche le ricerche di neutrini astrofisici e materia oscura provenienti dal Sole, risultando in test sempre più forti di nuovi modelli. I limiti di dispersione del protone della materia oscura dalle osservazioni dei raggi gamma possono superare i limiti degli esperimenti di rilevazione diretta di diversi ordini di grandezza [43] e saranno la sonda leader mondiale della materia oscura con misurazioni di precisione nel prossimo decennio. Inoltre, una comprensione quantitativa dei campi magnetici solari può essere utilizzata per la modellazione accurata delle traiettorie e degli angoli di deflessione delle particelle cariche dal Sole alla Terra. I progressi su questo fronte ci consentiranno di effettuare ricerche direzionali per altre particelle secondarie dall'atmosfera del Sole, inclusi elettroni, positroni e neutroni, con flussi paragonabili a quelli dei raggi gamma.

L'astronomia ottica è iniziata con il sole. È giusto che nell'era emergente dell'astrofisica multimessenger, il Sole dovrebbe nuovamente ricoprire un posto determinante.

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