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Barbara Ricci Universita’ di Ferrara & INFN-Ferrara

Ferrara, 11 Aprile 2003

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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/

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Chi misuro’ per primo la massa del sole?

Galileo

Cavendish

Einstein

RicciCavendish

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• 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

Notazione esponenziale:

1030 =1 000 000 … … … 000 30 zeri !

Massa Solare

• Circa 300 000 volte la massa della terra

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• 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!

Luminosita’ solare

150 milioni di km

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11/08/99

Raggio solare:distanza tra il centro del sole

e la superficie visibile (fotosfera)

Rs 700 000 km

RT 6000 km

Terra

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• 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

Eta’ del sole

tt4,5 Miliardi di anni

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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

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Diverse immagini del sole

IR

X UV

radio

!!! FALSI COLORI !!!visibile

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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 mezzoSound effects by F. Cibinetto & G. Marchiori

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• 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

La musica del sole

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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/

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elios = soleseismos = movimentologos = 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 !

Eliosismologia

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• 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…

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L’effetto Doppler in acustica

•La frequenza del suono emesso da una sorgente dipende dalla velocità della sorgente

• = o( 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

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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

*per le onde e.m. c’é anche un effetto “trasversale”

tcco

sinvv

•L’effetto Doppler permette di misurare fino a velocita’ di oscillazione di pochi mm/s

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Immagine Doppler

Una “foto istantanea” delle oscillazioni del sole (sovrapposizione di 100 000 modi)

from: http://bigcat.phys.au.dk/helio_outreach/english/

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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

• Network telescopi identici situati a diverse longitudini. – Global Oscillation Network Group (GONG)

– Birmingham Solar Oscillations Network (BiSON).

GONG

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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

Animation effect by G.Marchiori

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Un’occhiata all’interno

ATTENZIONE ! Il sole e’ opaco alla radiazione. La luce che arriva a noi proviene dalla superficie (fotosfera) e non direttamente dal centro

•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

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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

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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/

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Andamento dellavelocità del suono

- 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

v[k

m/s

]

R/Rs

SOLE

TERRA

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Transizione fra convezione e radiazione• La velocita’del suono e’ continua,ma la sua

derivata e’ discontinua nella zona di transizione

v[k

m/s

]

R/Rs

Rtr = 0.711 (1±0.1%) Rs

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Rotazione del solegiorni

0.1 Rs 0.7 Rs

• Rotazione differente ai poli e all’equatore, non e’ una novita’….

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Rotazione del sole

• Sulla rotazione del nucleo ancora non si riesce a dire niente

giorni

0.1 Rs 0.7 Rs

• Al di sotto della zona convettiva il sole ruota quasi uniformemente

• Rotazione differente ai poli e all’equatore, non e’ una novita’….

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Asterosismologia• 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 Bootis osservati con telescopio a La Palma

• Con strumenti su satellite aumenteranno le informazioni

Boote

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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

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30

5-11 Maggio 2003

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Immagine Doppler

Rotazione del sole, Periodo equatoriale: 25 giorni Periodo polare: 30 giorni(non e’ una novita’…)

… sottraendo la rotazionevediamo le oscillazioni del sole (sovrapposizione di 100 000 modi)

+2 Km/s

-2 Km/s

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Strati piu’ esterni• 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.

• 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.

• 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

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Effetto doppler

• Elettromagnetico:

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Macchie solari

• 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)

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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

• Note: Erot =1/2 m rotR2 0.02 eV Erot << KT

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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

3

3

cm

erg

cm

erg

15

102

10nKT

104B

u

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Inversion method• Calculate frequencies i as a function of u

=> ii(uj) j=radial coordinate

• Assume Standard Solar Model as linear deviation around the true sun:

ii, sun + Aij(uj-uj,sun)• Minimize the difference between the

measured i and the calculated i

• In this way determine uj=uj-uj, sun

2

i i

ii2