Figura 1: The first butterfly diagram published by Maunder (1904), shows in the years 1877-1902 (x-axis) along two solar cycles the position in latitude (y-axis) of all sunspots detected with respect to the solar equator (horizontal dotted line).
Alessandro Bemporad
Il diagramma a farfalla è una rappresentazione grafica ideata dall'astronomo Edward Walter Maunder in un articolo del 1904 per visualizzare l'evoluzione delle macchie solari nel tempo e in latitudine. Tracciando la posizione delle macchie lungo due cicli solari (circa 11 anni ciascuno), Maunder notò che queste compaiono a latitudini più elevate all'inizio di un nuovo ciclo e poi, col progredire del ciclo, si spostano verso l'equatore, creando nel grafico una caratteristica figura simile a due ali di farfalla speculari. L'importanza del diagramma a farfalla va ben oltre il semplice tracciamento delle macchie solari: grazie alla media longitudinale dei magnetogrammi della fotosfera, mostra l'evoluzione del campo magnetico radiale nel corso dei cicli solari, evidenziando non solo la migrazione verso l'equatore delle regioni attive e dei loro campi magnetici, ma anche i flussi di campo magnetico che si spostano verso i poli, contribuendo all'inversione dei campi polari durante il ciclo solare. Questo diagramma ha così un ruolo centrale per la fisica solare, in quanto collega direttamente le osservazioni fotosferiche alla dinamica del campo magnetico globale, fornendo un supporto fondamentale ai modelli di dinamo solare e arricchendo la nostra comprensione della generazione e del trasporto del campo magnetico solare.
Per oltre un secolo tuttavia questo diagramma ha permesso di studiare solo una regione del sole, la fotosfera: questa infatti non è solo la regione in cui si osservano le macchie solari, ma anche l'unica regione del sole in cui è stato possibile finora misurare i campi magnetici che attraversano i plasmi solari. La misura dei campi magnetici nell'atmosfera del sole al di sopra della fotosfera, la corona solare, ha rappresentato una sfida per decenni. La dinamica dei plasmi coronali è dominata dai campi magnetici, e la loro limitata conoscenza ha costituito uno dei limiti principali nello studio della corona solare. Molte tecniche sono state per questo sviluppate, alcune delle quali hanno permesso di ottenere misure però molto localizzate (ad esempio sopra le macchie solari – e.g. Shad et al. 2024) e per brevi intervalli temporali (al massimo alcuni mesi – e.g. Yang et al. 2024), impedendo quindi studi a lungo termine (più anni) e su tutta la corona solare.
Adesso, grazie ad una tecnica pubblicata recentemente (Bemporad 2023), è stato possibile finalmente studiare l'evoluzione dei campi magnetici della corona solare giorno per giorno e anno per anno e iniziare a capire come la "farfalla" dei campi magnetici fotosferici modula la struttura della "farfalla" coronale. La tecnica si basa sull'analisi delle immagini coronografiche (acquisite in particolare del coronografo dell'Osservatorio posto a Mauna Loa nelle Isole Hawaii) da cui viene prima ricavata l'evoluzione delle densità coronali, e quindi – assumendo un principio di equipartizione dell'energia – l'energia potenziale gravitazionale e l'energia magnetica della corona. La tecnica, applicata con successo nel primo lavoro alle osservazioni acquisite durante l'eclissi totale di sole del 2017, è stata adesso applicata a più di 10 anni di osservazioni coronografiche, coprendo l'intero ciclo solare 23 (da fine 1998 a fine 2008), in un lavoro adesso in stampa (Bemporad & Bertone 2025).
Figura 2: il diagramma a farfalla dei campi magnetici fotosferici per il ciclo solar 23 (alto sinistra) ed il corrispondente diagramma a farfalla dei campi magnetici coronali (basso destra). Queste mappe sono confrontate con i diagrammi a farfalla dei campi magnetici coronali con estrapolazione potenziale (alto destra) e con le densità coronali (basso sinistra). In ogni mappa il tempo scorre sull'asse-x, il minimo del ciclo si trova a destra (2008 circa), mentre il massimo del ciclo è a sinistra (2000-2001 circa).
Questo ha permesso la creazione dei primi diagrammi a farfalla mai realizzati dei campi magnetici coronali lungo tutto un ciclo solare. I risultati mostrano un buon accordo intorno al minimo solare tra la posizione dedotta della linea neutra magnetica nella corona e le estrapolazioni dei campi magnetici di tipo potenziale, estrapolazione la cui validità decade al massimo del ciclo. I diagrammi a farfalla coronali mostrano la formazione di una corona solare asimmetrica avvicinandosi al minimo del 2008, a cui non corrisponde un'analoga asimmetria nell'evoluzione dei campi magnetici fotosferici. L'evoluzione dell'energia magnetica coronale mostra somiglianze, ma anche notevoli differenze, rispetto all'energia magnetica fotosferica, suggerendo una connessione tra le strutture coronali e le regioni più interne della zona convettiva solare. Inoltre, i campi magnetici coronali sulle regioni polari sembrano essere notevolmente diversi e quasi anti-correlati intorno al massimo solare, ma diventano comparabili durante le fasi discendenti del ciclo.
Questi risultati offrono un nuovo quadro per comprendere la modulazione della corona solare da parte del ciclo di attività, nonché nuove prospettive in vista delle future osservazioni dei poli solari, che saranno acquisite per la prima volta dalla missione ESA Solar Orbiter nei prossimi anni.
Per approfondimenti si veda l'articolo completo: A. Bemporad, & S. Bertone, "The solar corona butterfly diagram", A&A, Forthcoming article, DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202555036
