Гръмотевичните бури произвеждат мощни изблици от гама лъчи и сега екип изследователи за първи път заснемат светкавици с помощта на камера, регистрираща различни дължини на вълната.

Гама лъчите обикновено идват от обекти в космоса като неутронни звезди или пулсари, но те могат да бъдат произведени и от гръмотевичните бури на Земята. Тези земни светкавици на гама лъчи (TGF - terrestrial gamma ray flashes) могат да повредят близката електроника като тази в самолетите. 

Енергийните спектри на TGF се простират до много десетки MeV, това означава, че гръмотевичните облаци по някакъв начин генерират електрони с енергия от много десетки MeV. Компютърните симулации, отчитащи разпространението на гама лъчи през атмосферата, включително разсейването на Комптон, фотоелектричната абсорбция и производството на двойки, показват, че трябва да има приблизително 10 ¹⁷ (MeV) високоенергийни електрони. 

И все още не знаем точно защо се случват гама лъчите в някои гръмотевични бури, защото ги произвеждат само много малка част от светкавиците.

Има две основни конкуриращи се предположения.

Първият е механизмът на релативистична обратна връзка (RFD - Relativistic FeeDback), който предполага, че фотоните – частиците на светлината – и позитроните – антиматерийният еквивалент на електрона – се произвеждат от „лавината“ от избити от атомите електрони, ускорени до скорост, близка до скоростта на светлината, в самоподдържаща се обратна връзка. Положителната вътреоблачна мълния може да нагнети мощните електрически полета вътре в гръмотевичните облаци над релативистичния праг на обратна връзка, причинявайки лавинообразно повишаване на броя на избитите електрони и експоненциалното нарастване на полученото рентгеново и гама лъчение, произвеждайки много големи потоци високоенергийна радиация. Тъй като потокът на избитите електрони се увеличава, йонизацията в крайна сметка предизвиква разреждане на електрическото поле, което отново привежда полето под релативистичния праг на обратна връзка и намалява потока на "избягалите" електрони.

В буреносните облаци наистина може да се предизвика образуването на антиматерия, така че този сценарий трябва да се вземе сериозно. Ако този модел е верен, трябва да има много малко или почти никаква във видимата светлина и малко ултравиолетова светлина. Това е т. нар. тъмна мълния.

^{Електрическите полета близо до върха на бурята създават движеща се нагоре лавина от електрони. Когато техните пътища се отклоняват от молекули на въздуха, тези електрони излъчват гама лъчи, най-високоенергийната форма на светлина. Когато енергията на гама лъчите се сблъска с електрони, те се ускоряват до скорост, близка до скоростта на светлината. Някои гама лъчи преминават близо до ядрата на атомите. Когато това се случи, гама лъчът се трансформира в електрон и неговата античастица. Електронен/позитронният лъч достига височини, където може да прихване космически кораби, като космическия телескоп Fermi Gamma-ray на НАСА. Тези изображения са базирани на TGF симулация от Джоузеф Дуайър (Joseph R. Dwyer) от Технологичния институт във Флорида.} 

Алтернативното обяснение е механизмът на термично бягство (thermal runaway mechanism) на електроните, според който гама лъчите се произвеждат от електронната каскада, генерирана от високоенергийното електрическо поле на облаците. Това предизвиква обикновената видима светкавица, която виждаме по време на буря.

За да разбере повече, Раша Абаси (Rasha Abbasi) от Университета Лойола в Чикаго и нейните колеги записват гръмотевична буря, използвайки както високоскоростна камера, така и масив от телескопи, ултрависокоенергиен детектор на космически лъчи в Юта, за да видят дали TGF се придружават от светкавица.

Екипът е регистрирал девет светкавици, шест от които са се появили едновременно с TGF.

Изследователите за първи път наблюдават TGF едновременно във видима светлина и гама лъчи.

Термичното бягство би произвело оптичен сигнал едновременно с гама лъчите. И по време на гръмотевична буря на 11 септември 2021 г., изследователите регистрират гама-лъчи и оптични сигнали от гръмотевична буря, в съответствие с механизма за производство на термично бягство.

Все още е възможно гръмотевичните гама лъчи да са придружени от неоткрити UV светкавици, така че Абаси и нейният екип сега разглеждат използването на UV-чувствителни фотометри, за да тестват хипотезата.

Но демонстрацията, че гама лъчите са придружени от оптична светкавица, е силно доказателство, отбелязва пред New Scientist Греъм Марлтън (Graeme Marlton) от британския метеослужба. „Това е голямо развитие, тъй като е извършена малко експериментална работа, доказваща хипотезата за образуването и ускорението на електроните преди TGF, особено в долната част на гръмотевичния облак."

Загадката на гама лъчите в гръмотевични бури е далеч от окончатено разрешаване. Учените са едва в началото на разплитането на сложния феномен на гръмотевичните бури и светкавиците.

Справка: 

First High-speed Camera Observations of the Optical Counterpart of a Terrestrial Gamma-ray Flash
R.U. Abbasi et al. arxiv.org/abs/2205.05115

The relativistic feedback discharge model of terrestrial gamma ray flashes
Joseph R. Dwyer, Journal of Geophysical Research: Space Physics, https://doi.org/10.1029/2011JA017160

Източници:

Strange gamma ray flashes from lightning storms may have explanation, New Scientist

Lightning Can Produce Gamma-Ray Flashes And We Might Finally Know How,  IFL Science

Още по темата

02/02/2022

Земята

Световната метеорологична организация сертифицира два рекорда за мегасветкавици (видео)

28/05/2018

Земята

От окото на урагана е изпратен мощен лъч антиматерия към земята

24/11/2017

Земята

Мълниите могат да предизвикват появата на антиматерия и ядрени реакции

26/01/2016

Физика

Факти за антиматерията, които може би не знаете