Ученые, изучающие всплески высокоэнергетического гамма-излучения во время гроз, стали свидетелями "шокирующего" события
Японские ученые, установившие специальные датчики для изучения связи между ударами молний и всплесками высокоэнергетического гамма-излучения, стали свидетелями «шокирующего» события: ускорения электронов почти до скорости света.
Хотя предыдущие исследования отмечали наличие высокоэнергетических гамма-всплесков во время гроз, известных как наземные гамма-вспышки (TGF), эти неожиданные явления обычно связывали с экстремально высокоэнергетическими космическими событиями, такими как взрывы сверхновых или черные дыры. Теперь ученые из Университета Осаки заявляют, что их исследование впервые объясняет, как ускорение электронов вызывает TGF.
«Многосенсорные наблюдения, проведенные здесь, являются мировым прорывом», — пояснил Харуфуми Тсучия, старший автор исследования. «Хотя некоторые загадки остаются, этот метод приблизил нас к пониманию механизма этих удивительных вспышек излучения».
Гамма-всплески, слишком мощные для молний?
В научной фантастике молнии играют ключевую роль — от превращений супергероев до путешествий во времени на молниезаряженном DeLorean (фильм "Назад в будущее"). В реальном же мире эти природные явления выделяют достаточно энергии, чтобы вызывать пожары, выводить из строя трансформаторы или даже убивать. Однако ученым трудно объяснить, как относительно слабые удары молний могут порождать мощные гамма-всплески, обычно связанные с астрономическими явлениями.
«Высказывались гипотезы, что TGF возникают из-за разрядов молний в результате ускорения электронов до очень высоких скоростей», — объясняют исследователи. «Однако кратковременный характер этого явления, длящегося всего десятки микросекунд, затруднял подтверждение этой гипотезы».
Чтобы разгадать эту загадку и зафиксировать всплески с беспрецедентной детализацией, Тсучия и Юки Вада, ведущий автор исследования, установили систему из трех датчиков, направленных на радиовышки в городе Канадзава префектуры Исикава. Нацелив датчики на вышки, ученые надеялись, что при ударе молнии сенсоры зафиксируют оптические, радиочастотные и высокоэнергетические данные до, во время и после события.
Ускорение электронов почти до скорости света
Согласно опубликованному исследованию, команда успешно зафиксировала несколько TGF во время гроз. Проанализировав данные, они обнаружили последовательность событий, которая, по их мнению, приводит к высокоэнергетическим гамма-всплескам.
За мгновения до удара молнии радиочастотный датчик зарегистрировал «нисходящий отрицательный лидер» (разряд), движущийся из облаков к вышке. Одновременно оптический датчик (камера) зафиксировал «восходящий положительный лидер», идущий от вышки к облаку. А непосредственно перед их столкновением датчик высокоэнергетического излучения обнаружил характерный сигнал TGF.
«Первый гамма-фотон TGF был зарегистрирован за 31 микросекунду до столкновения разрядов, а сам всплеск длился 20 микросекунд после их соединения в молнию», — поясняют ученые.
Убедившись, что эта последовательность повторяется при каждом TGF, команда углубилась в анализ данных. Исследование одного из событий показало, что за 31 микросекунду до встречи восходящего и нисходящего лидеров между ними формировалось концентрированное электрическое поле. Электроны, попавшие в это поле, ускорялись почти до скорости света, генерируя энергию, достаточную для гамма-всплеска. Хотя выброс энергии был значительным, он оказался кратковременным и прекратился через 20 микросекунд после объединения лидеров в молнию.
«Наши результаты показывают, что огромное количество электронов ускорялось до релятивистских энергий в сильном и компактном электрическом поле между двумя лидерами», — пишут авторы исследования.
Повышение безопасности уязвимых сооружений
Ученые отмечают, что их работа предоставляет важные данные для разгадки механизма генерации TGF молниями. Исследование также подтверждает предыдущие теории о динамике лидеров молний и роли теплового пробоя и релятивистской обратной связи в этих высокоэнергетических всплесках.
«Возможность изучать экстремальные процессы, такие как TGF, возникающие в молниях, позволяет нам лучше понимать высокоэнергетические явления в атмосфере Земли», — объяснил Вада.
С практической точки зрения, понимание связи между TGF может помочь улучшить «безопасность и устойчивость» зданий и других сооружений, подверженных воздействию высокоэнергетических атмосферных явлений. Это особенно актуально в условиях роста экстремальных погодных явлений из-за повышения глобальной температуры.