Analisi delle proprietà geometriche ed evolutive di strutture fotosferiche solari tramite algoritmi paralleli di riconoscimento e tracciamento

Lo studio delle caratteristiche statiche e dinamiche della fotosfera solare è di interesse ed utilità per vari campi scientifici che vanno dal trasporto di energia in plasmi astrofisici alla fisica dei fluidi con elevati numeri di Reynolds. Inoltre, poiché la convezione solare è il solo esempio di convezione astrofisica che può essere direttamente studiato, questa rappresenta il miglior banco di prova di modelli stellari. In particolare, le indagini sulla granulazione fotosferica solare, grazie alla crescente risoluzione spaziale e spettrale degli strumenti osservativi, consentono di investigare in modo accurato sia parametri quali la dimensione, i fattori di forma, la funzione di distribuzione delle strutture convettive, sia la loro dinamica ed evoluzione. Al fine di caratterizzare oggettivamente le strutture fini osservabili sulla superficie solare è necessario estrarre un grande campione statistico di tali strutture attraverso l’uso di algoritmi automatici di riconoscimento (pattern recognition). Lo sviluppo di questi algoritmi beneficia della ricerca svolta anche in campi tra di loro distanti, quale le tecniche digitali di analisi dell’immagine, lo studio del meccanismo visivo biologico, l’analisi statistica delle proprietà geometriche di strutture bidimensionali e tridimensionali. Viceversa, possiamo ragionevolmente sperare che i nuovi approcci proposti in questo lavoro siano di ispirazione anche per l’analoga indagine di fenomeni fisici differenti, ma strutturalmente analoghi alla formazione di strutture nel campo di granulazione solare, come lo studio generale della convezione in fluidodinamica o l’approfondimento delle conoscenze sulla neurologia della visione animale di base. Lo spirito con cui è stato affrontato questo lavoro è quindi intrinsecamente multidisciplinare.

Definizione del problema
Lo specifico obiettivo di questa tesi è l’analisi delle proprietà di tipo geometrico e di tipo evolutivo delle strutture della fotosfera solare alle più piccole scale spaziali oggi risolvibili. Il principale problema che si affronta consiste nella mancanza di omogeneità nella definizione e nella conseguente analisi di tali strutture di tipo granulare da parte di autori differenti con diversi approcci, procedure ed algoritmi. In questa tesi è stata stabilita una definizione operativa delle strutture e delle loro principali caratteristiche osservabili, sulla base di princìpi il più possibile generali, ed è stato sviluppato un nuovo algoritmo di riconoscimento delle strutture, di cui si presentano i risultati relativi all’applicazione su serie temporali di immagini di campi fotosferici quieti acquisite presso i telescopi Dunn Solar Telescope (National Solar Observatory, Sacramento Peak, New Mexico, USA) e Themis (Tèlescope Hèliographique pour l’Étude du Magnètisme et des Instabilitès de l’atmosphère Solare, Observatorio del Teide di Izaña, Tenerife, Isole Canarie, Spagna).

Descrizione della tesi
Il primo capitolo, dopo una breve introduzione alla struttura del Sole nel suo insieme, espone le caratteristiche della fotosfera solare, in particolare dei moti convettivi a varia scala spaziale in essa osservabili, illustrando lo stato delle conoscenze sulle proprietà geometriche e evolutive delle strutture di granulazione. A conclusione del capitolo, sono trattate le principali fonti di degradazione delle immagini di granulazione solare, acquisite in banda larga con brevi tempi di esposizione.
Il secondo capitolo presenta una panoramica dei possibili approcci alla segmentazione dell’immagine e al conseguente riconoscimento di strutture distinte. Si compie un’analogia tra sistemi visivi biologici e sistemi visivi artificiali, da cui si deriva la scelta di un approccio per la segmentazione delle immagini di granulazione solare che non dipenda da parametri fissati arbitrariamente, come in molti dei precedenti tentativi. Si stabiliscono inoltre le necessarie definizioni operative degli oggetti di analisi, per sgombrare il campo dalle ambiguità che sorgono nel confrontare risultati apparentemente simili nella forma, ma divergenti nel significato.
Il terzo capitolo riporta schemi e procedure inerenti gli algoritmi implementati sulla base delle decisioni di cui al capitolo precedente. Sono illustrati alcuni esempi di immagini trattate, e si elencano le proprietà analizzate sulle immagini di strutture segmentate e riconosciute.
Il quarto e ultimo capitolo illustra i risultati delle analisi svolte in termini di proprietà geometriche ed evolutive del campo di granulazione solare esaminato tramite due distinte serie di immagini ottenute nel 1996 e nel 1999 rispettivamente presso i telescopi Dunn Solar Telescope e Themis. È svolto un puntuale confronto con analoghi risultati proposti in letteratura, mantenendo sempre presente le possibili differenze di contesto, approccio e implementazione.