“Signor Sulu, alzare gli scudi”

Chi è appassionato di Star Trek ha riconosciuto sicuramente questa frase, e dev’essere risuonata in mente ai ricercatori dell’Università del Colorado a Boulder quando si sono trovati ad interpretare i dati che le due sonde gemelle Van Allen della NASA avevano inviato loro. Queste sonde erano state lanciate nel 2012 per investigare la natura delle fasce di Van Allen, due strutture formate da elettroni e protoni che si trovano ad alta quota oltre l’atmosfera, estendendosi fino a 40000 km di altezza e oltre sopra l’Equatore. Queste strutture sono come enormi ciambelle di elettroni e protoni, intrappolati dal campo magnetico terrestre, che interagiscono con le particelle provenienti dal cosmo, deformandosi, perdendo particelle e intrappolandone di nuove. In particolare le fasce di Van Allen interagiscono con il vento solare, un continuo flusso di protoni proveniente dal sole e variabile nel tempo, con picchi di attività in corrispondenza di eruzioni o esplosioni sulla superficie del Sole.

Delle fasce di Van Allen si è parlato sui giornali in occasione del recente lancio della nave spaziale Orion: tra le moltissime insidie che un mezzo di trasporto pensato per portare esseri umani oltre la cosiddetta “orbita terrestre bassa (low Earth orbit, LEO)”, una delle più grandi è attraversare questa regione. La prima fascia di Van Allen, in particolare, si estende tra un’altezza di alcune circa 1000 e circa 6000km, oltre l’orbita della Stazione Spaziale Internazionale, per capirci, ed è prevalentemente formata da protoni. La quantità di radiazione assorbita da un astronauta che la attraversasse (ma anche dai computer di bordo della nave spaziale) è abbastanza grande da rappresentare un potenziale fattore di rischio. Durante le missioni Apollo, tra gli anni Sessanta e Settanta del secolo scorso, gli astronauti ricevettero una dose di radiazione, nei loro viaggi, compresa tra il 10% e il 20% del massimo consentito dalla legge americana per un lavoratore radioesposto in un anno. Se per gli uomini questi numeri non sono particolarmente grandi, per i computer possono essere letali… con conseguenze tragiche anche per l’equipaggio.

Una visione artistica delle fasce di Van Allen (Immagine NASA)

Una visione artistica delle fasce di Van Allen (Immagine NASA)

Pochi giorni fa, il gruppo guidato dal Professor Daniel Baker di Boulder, appunto, ha pubblicato una incredibile scoperta su Nature. Si sapeva che le fasce di Van Allen sono in grado di fermare una parte dei raggi cosmici che le scontrano, ma a quanto pare il meccanismo con cui lo fanno non ci è ancora del tutto chiaro. Si pensava che gli elettroni interagissero diverse volte con le particelle intrappolate dal campo magnetico terrestre e che quindi perdessero la loro energia lentamente, in molte interazioni, invece, a quanto pare, vengono bloccate in modo molto repentino ad un’altezza di circa 12000 km, all’incirca al margine interno della fascia esterna.

Il professor Baker ha dichiarato, parlando di questo fenomeno, che “è quasi come se questi elettroni scontrassero un muro di vetro nello spazio… qualcosa di simile agli scudi creati dai campi di forza di Star Trek, che erano usati per respingere le armi aliene, noi stiamo vedendo uno scudo invisibile che blocca questi elettroni. È un fenomeno estremamente misterioso”.

Gli scienziati pensavano che elettroni di alta energia, catturati dal campo magnetico terrestre a 100000 km di altezza, perdessero gradualmente energia e si avvicinassero alla Terra, fino a raggiungere gli strati più alti dell’atmosfera ed essere assorbiti. L’invisibile barriera osservata dalle sonde Van Allen, però, impedisce agli elettroni di raggiungerci. Il punto è che non sappiamo perché.

Diversi possibili scenari sono stati investigati, dalle caratteristiche del campo magnetico ai segnali radio prodotti dall’uomo, ma nessuno è scientificamente affidabile. La natura, come fa notare Baker “aborre gli scalini e generalmente trova il modo di spianarli, per cui dovremmo vedere alcuni elettroni muoversi verso l’interno e altri verso l’esterno… non è ovvio come i lenti graduali processi che dovrebbero essere coinvolti nel moto di queste particelle possano cospirare a creare un così netto e persistente confine in questo punto dello spazio”. Al momento la spiegazione più attendibile sembra coinvolgere la plasmasfera, una regione dell’atmosfera esterna fatta di gas ionizzato relativamente freddo, che dovrebbe produrre del “rumore elettromagnetico” in grado di respingere questi elettroni.

In attesa di nuove osservazioni, cerchiamo di capire come si possa produrre un fenomeno di questo tipo: la radiazione proveniente dal cosmo crea infatti un sacco di problemi, sia ai satelliti artificiali che soprattutto agli astronauti. Oggi, in vista di una possibile spedizione umana verso Marte,uno dei più grandi problemi da risolvere è proprio come proteggere gli astronauti dalle radiazioni cosmiche. Al momento si stanno studiando schermi magnetici molto grandi e complessi, per generare una regione “sicura” in cui ospitare le persone.

Una proposta di scudo magnetico (basato su 6 solenoidi superocnduttori) allo studio presso la NASA (Immagine NASA)

Una proposta di scudo magnetico (basato su 6 solenoidi superocnduttori) allo studio presso la NASA (Immagine NASA)

Scoprire come la natura abbia creato uno schermo così efficiente sarebbe estremamente interessante, per i futuri viaggi spaziali… là, dove nessuno è mai giunto prima.

Author: Andrea Bersani

Fisico delle particelle, tecnologo all’INFN un po’ per tutte le stagioni. È molto curioso, soprattutto di cose che non gli serviranno mai sul lavoro.

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  • Marta

    complimenti per l´articolo … davvero interessante

  • luciano

    Ma se le fasce di Van Allen sono mortali per i pc, che sono contenuti dentro scatole di ferro, perchè non lo sono stati per gli astronauti, che abitavano una sottile capsula in alluminio, con molti oblò?
    A onor del vero nessun astronauta ha mai sofferto il mal di “vanallen”.

    • Andrea Bersani

      Ci sono tante differenze tra un PC e un umano: le radiazioni danneggiano entrambi, ma in modo diverso. Il processore di un computer, ad esempio, è un blocchetto di silicio con una serie di piste e componenti “disegnati” sopra bombardandolo con atomi di altri elementi o con neutroni. L’effetto delle radiazioni su un chip è quello di distruggere queste piste e questi componenti. Un umano, in cui le radiazioni possono indurre il cancro, le cellule sono in grado di rigenerarsi, in un computer il danno è permanente. Tutte le prove che sono state fatte negli anni Cinquanta del XX secolo, prima con sonde automatiche e poi con animali, avevano come scopo principale quello di misurare le radiazioni a cui sarebbero stati sottoposti strumenti e astronauti: il fatto che nessuno si sia ammalato di “vanallen” è il risultato degli studi preliminari che sono stati fatti. Attualmente, consideriamo “sicura” una permanenza di sei mesi nella Stazione Spaziale Internazionale o un viaggio oltre le fasce di Van Allen di due settimane (come furono le missioni Apollo), ma per andare su Marte parliamo di una permanenza di circa un anno nello spazio interplanetario, qualcosa di molto lontano da ciò che conosciamo.