Barbara Ricci
Universita’ di Ferrara & INFN-Ferrara
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Ferrara, 11 Aprile 2003
Indice:
1. Le principali caratteristiche solari,
determinabili con osservazioni
2. Eliosismologia: possiamo “ascoltare”
oltre che vedere!
3. Informazioni eliosismologiche
4. 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
Einstein
Cavendish
Ricci
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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
• Circa 300 000 volte la massa della terra
Notazione esponenziale:
1030 =1 000 000 … … … 000
30 zeri !
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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
150 milioni di km
• Circa un miliardo di milioni
(1015) di centrali elettriche!
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Raggio solare:
distanza tra il centro del sole
e la superficie visibile (fotosfera)
Rs  700 000 km
Terra
RT 6000 km
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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
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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
X
UV
visibile
IR
radio
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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 mezzo
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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
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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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Eliosismologia
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 !
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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
• 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
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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



v
v
 o sin t
c
c
•Se si avvicinano alla terra la
luce emessa sara’ spostata
verso il blu, se si allontanano
dalla terra sara’ spostata
•L’effetto Doppler
verso il rosso
permette di misurare fino
*per le onde e.m. c’é anche un effetto
“trasversale”
a velocita’ di oscillazione
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di pochi mm/s
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
GONG
• Network telescopi identici situati a diverse longitudini.
– Global Oscillation Network Group (GONG)
– Birmingham Solar Oscillations Network (BiSON).
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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
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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
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direttamente dal centro
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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- 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
SOLE
v[km/s]
Andamento della
velocità del suono
R/Rs
TERRA
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Transizione fra convezione e
radiazione
v[km/s]
• La velocita’del suono e’ continua,ma la sua
derivata e’ discontinua nella zona di transizione
R/Rs
Rtr = 0.711 (1±0.1%) Rs
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Rotazione del sole
• Rotazione differente ai
poli e all’equatore, non e’
una novita’….
0.1 Rs
0.7 Rs
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Rotazione del sole
• 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
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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
Boote
h
• 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
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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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29
5-11 Maggio 2003
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Immagine Doppler
-2
Km/s
+2
Km/s
Rotazione del sole,
Periodo equatoriale: 25 giorni
Periodo polare: 30 giorni
(non e’ una novita’…)
… sottraendo la rotazione
vediamo le oscillazioni del
sole (sovrapposizione di
100 000 modi)
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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.
• 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
B2
10 erg

10
cm
4
• Anyhow also a 106G field give
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an energy contribution << KT
u  nKT  10
3
erg
cm3
Inversion method
• Calculate frequencies i as a function of
u =>
i i(uj)
j=radial coordinate
• Assume Standard Solar Model as linear
deviation around the true sun:
ii, sun + Aij(uj-uj,sun)
• Minimize the difference between the
measured Wi and the calculated i

2
 W i  i
 
 W
i
i





2
• In this way determine uj =uj -uj, sun
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