L'incredibile duplice aurora di saturno

Proprio come succede qui sulla terra, anche sul pianeta saturno le particelle solari interagiscono con il campo magnetico generando lo spettacolare fenomeno delle aurore alle latitudini polari. Il telescopio spaziale Hubble, approfittando della rara occasione dell'equinozio saturniano (un fenomeno che si verifica solo una volta ogni quindici anni) ha catturato le spettacolari immagini di una duplice aurora. I filmati conservati sul sito dello Space Telescope sono davvero incredibili.
Accludo qui l'eccellente articolo esplicativo appena pubblicato dall'ESA. La leggera asimmetria che caratterizza i due anelli aurorali che potete vedere intorno ai poli del pianeta denunciano le differenze di forma del suo campo magnetico.

Saturn's aurorae offer stunning double show

11 Feb 2010
Researchers using the NASA/ESA Hubble Space Telescope recently took advantage of a rare opportunity to record Saturn when its rings are edge-on, resulting in a unique movie featuring both of the giant planet's poles. Saturn is only in this position every 15 years and this favourable orientation has allowed a sustained study of Saturn's almost symmetric northern and southern lights.
An enormous and grand ringed planet, Saturn is certainly one of the most intriguing bodies orbiting the Sun. Hubble has now taken a fresh look at the fluttering aurorae that light up both of Saturn's poles.
It takes Saturn almost thirty years to orbit the Sun, with the opportunity to image both of its poles occurring only twice in that period. Hubble has been snapping pictures of the planet at different angles since the beginning of the mission in 1990, but 2009 brought a unique chance for Hubble to image Saturn with the rings edge-on and both poles in view. At the same time Saturn was approaching its equinox so both poles were equally illuminated by the Sun's rays.
These recent observations go well beyond just a still image and have allowed researchers to monitor the behaviour of both Saturn's poles in the same shot over a sustained period of time. The movie they created from the data, collected over several days during January and March 2009, has aided astronomers studying both Saturn's northern and southern aurorae. Given the rarity of such an event, this new footage will likely be the last and best equinox movie that Hubble captures of our planetary neighbour.
Despite its remoteness, the Sun's influence is still felt by Saturn. The Sun constantly emits particles that reach all the planets of the Solar System as the solar wind. When this electrically charged stream gets close to a planet with a magnetic field, like Saturn or the Earth, the field traps the particles, bouncing them back and forth between its two poles. A natural consequence of the shape of the planet's magnetic field, a series of invisible "traffic lanes" exist between the two poles along which the electrically charged particles are confined as they oscillate between the poles. The magnetic field is stronger at the poles and the particles tend to concentrate there, where they interact with atoms in the upper layers of the atmosphere, creating aurorae, the familiar glow that the inhabitants of the Earth's polar regions know as the northern and southern lights.
At first glance the light show of Saturn's aurorae appears symmetric at the two poles. However, analysing the new data in greater detail, astronomers have discovered some subtle differences between the northern and southern aurorae, which reveal important information about Saturn's magnetic field. The northern auroral oval is slightly smaller and more intense than the southern one, implying that Saturn's magnetic field is not equally distributed across the planet; it is slightly uneven and stronger in the north than the south. As a result, the electrically charged particles in the north are accelerated to higher energies as they are fired toward the atmosphere than those in the south. This confirms a previous result obtained by the space probe Cassini, in orbit around the ringed planet since 2004.

La missione Cluster "ascolta" la stazione radio aurorale

All'acuto sguardo di Piero Bianucci sulla Stampa non sono sfuggite due notizie dell'ESA sulle missioni Cluster e SOHO. Partiamo dal secondo caso, simpatico ma un po' marginale per i nostri interessi. La missione SOHO, un osservatorio orbitale dedicato al geomagnetismo e all'attività solare, ha stabilito un record con ben 1.500 nuove comete registrate. Il fatto di inquadrare spesso il nostro astro lo pone in una posizione avvantaggiata rispetto agli osservatori terrestri, che tuttavia sono i veri fautori di questa caccia al pezzo di ghiaccio con la coda: sono loro che esaminando le immagini trasmesse da SOHO ogni 15 minuti si accorgono di quei puntini in movimento.
Le notizie che arrivano da Cluster sono invece molto più pertinenti ai nostri interessi propagativi, anche se a ben considerare le ultime scoperte torneranno utili a chi i segnali radio li vuole ascoltare dai pianeti lontani. La missione costitituita da quattro satelliti disposti in un particolare array pensato per conferire una cornice referenziale alle osservazioni radio, ha appurato il funzionamento della Auroral Kilometric Radiation, o radiazione aurorale nelle bande chilometriche, una particolare emissione radio originata dal nostro pianeta nel cono ionosferico sopra i poli, la regione in cui si producono le aurore. E' un emissione formata da una miriade di fonti che "sparano" in una zona dello spettro compresa tra i 50 e i 500 kHz. Cluster ha consentito di stabilire un nuovo modello per la modalità e la polarizzazione del segnale, che invece di essere banalmente a forma di cono svuotato come proposto una trentina d'anni fa, risponderebbero a una teoria più recente più simile a quanto riscontrato nelle magnetosfere di altri pianeti e cioè a un segnale orientato su un piano tangente all'area di ionizzazione da cui parte l'emissione. Questo può aiutare molto i radioastronomi impegnati nella ricerca sulle magnetosfere non terrestri e su eventuali segnali di vita intelligente. Il sito dell'ESA riporta alcuni file ottenuti convertendo in frequenze audio il variabile spettro del segnale AKR misurato con lo strumento WBD appositamente costruito dall'Università dello Iowa, un ricevitore di campi elettrici e magnetici a frequenza comprese tra 25 Hz e 577 kHz (in pratica un ricevitore spaziale di radiofari e frequenze naturali). Davvero eccezionale.

Beamed radio emission from Earth

27 Jun 2008

A recent study reveals how the most powerful emission of terrestrial origin, the Auroral Kilometric Radiation (AKR), is beamed into space. This result was obtained using data collected by the four satellites of the Cluster mission. These new data were found to be inconsistent with two leading AKR beaming theories developed 30 years ago, but support a more recent one. The result has important implications for radio studies of planetary magnetospheres, including radio searches for exo-planets.

Seen from deep space, the Earth is a powerful planetary radio source, comparable to Jupiter, with maximum output power in the 50-500 kHz range. At such frequencies, the dominant emission is Auroral Kilometric Radiation (AKR), a natural electromagnetic wave generated in the auroral zones. (An auroral zone is an annular ring around each magnetic pole where auroras are most likely to occur, see Figure 1.)
AKRs are intimately linked with auroras, or more precisely with the energetic electron beams that cause the auroras. (As a reminder: it is the precipitation of such beams and their interactions with oxygen and nitrogen atoms which illuminate the sky at an altitude of about 100 km.)
Satellite observations since the 1970's have greatly enhanced our knowledge of AKR. In particular, these observations have enabled us to pin down the physical process generating this powerful emission. But even 40 years after its discovery, a fundamental problem remains: in which direction is AKR beamed with respect to the Earth's magnetic field?

Open question: How is AKR beamed in relation to Earth's magnetic field?

The question is actually more complicated than it sounds. As revealed by high-time resolution data, AKR is in fact composed of many elementary radiation sources (follow the link on the right-hand menu to listen to the sound of AKR). So far, scientists have modelled the angular beaming characteristics of AKR in a statistical sense, mainly using data collected by a single satellite. As a result, a few beaming theories have been proposed but the only way to discriminate between them is to directly measure the angular beaming pattern of individual AKR bursts. This is what has been recently achieved thanks to data collected by the ESA/NASA Cluster mission.
The Cluster constellation consists of four satellites, each equipped with the same type of sensitive radio wave receiver - the WideBanD (WBD), built by the University of Iowa, USA, and financed by NASA. By flying in formation above AKR sources, this space fleet provides scientists with a unique opportunity to determine the angular power pattern of individual AKR bursts.
First of all, the WBD system records waves with sufficient time and frequency resolution to isolate emission from individual elementary AKR sources.
In addition, since the Cluster constellation forms a 2-dimensional array in the sky, it can simultaneously sample the burst from different viewpoints.
Finally, by measuring the differential delays between all pairs of spacecraft (6 combinations in total), the locations of individual AKR bursts can also be determined (Mutel et al., 2003). This provides a spatial filter, which isolates radiation from a single region and allows the array to sample individual burst power patterns.

Cluster data compatible with recent model; rules out older ones

In a recent study, Dr. Robert Mutel (University of Iowa) and colleagues report the analysis of more than 12 000 individual AKR bursts collected by the Cluster mission (see Figure 3). "Thanks to Cluster, we could demonstrate that individual AKR bursts do not radiate in the manner described by two models that were proposed some 30 years ago. However, these new data do back up the numerical model developed 10 years ago by Louarn and Le Quéau", says Mutel, lead author of this discovery which is reported in Geophysical Research Letters on 09 April 2008.
"AKR is similar to radio emissions that emanate from other magnetospheres at Jupiter, Saturn, Uranus and Neptune but also certain solar and stellar radio bursts. The radio emission is a result of a plasma instability that frequently develops in astrophysical magnetospheres which can efficiently convert free energy present in energetic particles into radiating electromagnetic waves. Its full comprehension is therefore of crucial importance", wrote Philippe Louarn (CNRS, Toulouse, France) in a recent review on the subject.
The new result clarifies how the radiation is beamed, which is in a narrow plane tangent to the magnetic field at the source, rather than a hollow cone as previously suggested.
"This has important implications for the study of AKR from other planets, stellar magnetospheres, and even the search for exo-planets by radio telescopes", notes Melvyn Goldstein, NASA Cluster project scientist.
"This result is a major scientific breakthrough obtained by the Cluster mission", says Philippe Escoubet, Cluster project scientist at the European Space Agency.

Related publications

Mutel, R. L., Christopher, I. W., & Pickett, J. S., "Cluster multi-spacecraft determination of AKR angular beaming", Geophys. Res. Lett., 35, L07104, 2008, doi: 10.1029/2008GL033377.

Louarn, P., "Generation of auroral kilometric radiation in bounded source regions", Lect. Notes Phys, 687, 55-86, 2006, doi: 10.1007/3-540-33203-0_3

Louarn, P., & Le Quéau, D., "Generation of the auroral kilometric radiation in plasma cavities-II. The cyclotron maser instability in small size sources", Planet. Space Sci., 44, 211– 224, 1996, doi: 10.1016/0032-0633(95)00122-0

Mutel, R. L., Gurnett, D. A., Christopher, I. W., Pickett, J. S., & Schlax, M., "Locations of auroral kilometric radiation bursts inferred from multispacecraft wideband Cluster VLBI observations: 1. Description of technique and initial results", J. Geophys. Res., 108(A11), 1398, 2003, doi: 10.1029/2003JA010011.

Buon Capodanno, sole

Stavo guardando ora su Repubblica.it la minigalleria di fotografie notturne dalla base antartica australiana di Casey, con gli spettacolari effetti di una aurora australe. E' in un certo senso il Capodanno del sole, che proprio in queste settimane chiude il ciclo 23 e inaugura il ciclo numero 24 (RP, non faccio per vantarmi, ha già dato la notizia quasi un mese fa). Verso metà dicembra era stata avvistata alle alte latitudini settentrionali del disco solare una zona di addensamento magnetico con polarità invertita, non ancora una macchia ma il segno incontrovertibile che le cose stavano cambiando. Un ciclo è sempre caratterizzato da un preciso andamento delle macchie che lo caratterizzano. Mentre il sole gira su stesso le macchie si spostano da nord verso sud, con una zona di una determinata polarità che "guida" il movimento (leading polarity) e una di polarità opposta che segue (trailing polarity). Quando raggiungono l'altro emisfero invertono questa polarità. Nell'immagine pubblicata dal centro belga SIDC, si nota il grande gruppo poco sotto l'equatore, con la leading polarity negativa (nera) e la trailing positiva (bianca). Verso i 30 di latitudine nord ecco una piccola macchia con la stessa polarità: non dovrebbe essere così se questa macchia appartenesse al ciclo 23, le cui aree di addensamento partivano dal nord con una leading polarity positiva. Questa macchietta appartiene al "nuovo" sole, che secondo gli esperti dovrebbe essere molto attivo.
E infatti, la nostra aurora australe potrebbe essere legata al primo evento "halo" CME (eiezione di materia coronale, uno sbuffo di plasma denso che approfitta di una smagliatura magnetica per proiettare le sue linee di intenso magnetismo verso lo spazio) del nuovo ciclo. Dopo poche ore, gli effetti dei CME si fanno sentire sul nostro campo geomagnetico determinando aurore ed effetti di assorbimento sui tracciati propagativi delle onde radio. Un'altra CME di classe C o possibilmente M si era verificata proprio il 31, questo "alone" dell'8 è successivo. Il Solar Influences Data Analysis Center di Bruxelles pubblica un magnetogramma della prima macchia del ciclo 24 catturato tra il 4 e 5 gennaio, con un disegno inviato dall'Osservatorio Astrofisico di Catania e altre informazioni che arrivano tra l'altro da un piccolo osservatorio del Canton Ticino, la Specola Solare Ticinese di Locarno, che nel 2007 ha celebrato il suo mezzo secolo di vita. Auguri!

In balia dei flutti magnetici sub-tempestosi

E' stato rimandato di 24 ore il lancio, previsto originariamente per ieri, venerdì, della missione THEMIS della NASA. I cinque satelliti della missione intitolata alla dea greca della giustizia, serviranno appunto a fare giustizia delle teorie che si accavallano per spiegare le sub-tempeste magnetiche che si scatenano nella magnetosfera in corrispondenza dei forti sbuffi di vento solare. L'effetto più visibile e suggestivo di una sub-tempesta magnetica sono le aurore, ma a essere investito dalla turbolenza è l'intero ambiente magnetico della terra, i satelliti orbitanti e la propagazione delle onde radio.

Andando sul sito della misssione si trova un breve filmato descrittivo di questa avventura che durerà un paio d'anni e dovrebbe portare all'osservazione di una trentina di aurore sopra il cielo nordamericano. La flotta Themis è costituita da cinque satelliti che verranno lanciati da un unico vettore oggi nella tarda serata (la diretta video su NASA TV comincia alle 20.45 utc e il lancio è previsto tre ore dopo). Gli scienziati della NASA spiegano che le cinque sonde devono essere considerate come boe oceaniche utilizzate per analizzare il moto delle grandi onde marine. Ogni quattro giorni, le sonde si allineeranno uno dietro l'altro lungo le linee di flusso della magnetosfera e il loro strumenti di misura effettueranno il monitoraggio nel tempo dei campi magnetici ed elettrici. Un secondo elemento della missione è costituito da una rete di speciali videocamere a occhio di pesce che fotograferanno il cielo alle latitudini aurorali, per scandire visivamente l'andamento cronologico delle misure effettuate in cielo. In questo modo gli scienziati sperano di correlare gli eventi visibili e elettromagnetici e individuare i fattori scatenanti e la dinamica delle sub-tempeste geomagnetiche. Non a caso THEMIS è un acronimo che significa Time History and Macroscale Interactions during Substorms.