Японские исследователи, проводившие эксперимент по изучению взаимосвязи между ударами молний и мощными всплесками гамма-излучения, зафиксировали уникальное явление: в атмосфере Земли электроны были разогнаны почти до скорости света. Это открытие проливает свет на природу загадочных земных гамма-вспышек (TGF), которые ранее связывали преимущественно с космическими катаклизмами.
До сих пор происхождение высокоэнергетических гамма-всплесков во время гроз оставалось не до конца понятным. Ученые из Университета Осаки впервые смогли экспериментально подтвердить гипотезу о том, что именно молнии являются причиной TGF, и детально описали механизм этого процесса. Их работа, основанная на комплексных многосенсорных наблюдениях, стала настоящим прорывом в этой области.
«Проведенные нами наблюдения с использованием нескольких типов датчиков являются мировым достижением, — отметил старший автор исследования Харуфуми Цутия. — Хотя некоторые вопросы остаются, этот подход значительно приближает нас к пониманию механизмов этих удивительных всплесков радиации в нашей атмосфере».
Разгадка тайны земных гамма-вспышек
В научной фантастике молния часто служит источником невероятной энергии. В реальности же её мощности достаточно для разрушений, но объяснить, как она порождает гамма-всплески, сопоставимые по энергии с космическими событиями, было сложно. Ученые долгое время не могли понять, каким образом относительно слабый (в астрофизических масштабах) разряд может создавать столь мощное излучение.
«Существовала теория, что TGF возникают, когда удары молнии разгоняют электроны до экстремальных скоростей, — поясняют авторы работы. — Однако чрезвычайная кратковременность этих явлений, длящихся микросекунды, делала прямую регистрацию и подтверждение этой гипотезы крайне трудной задачей».
Чтобы преодолеть эти трудности, команда под руководством Юки Вады развернула уникальную экспериментальную установку на радиовышке в Каназаве. Система из трех синхронизированных датчиков — оптического, радиочастотного и детектора высокоэнергетического излучения — была направлена на башню, чтобы в момент удара молнии зафиксировать полную картину события с беспрецедентной детализацией.
Механизм релятивистского ускорения в электрическом поле
В ходе наблюдений ученым удалось успешно зарегистрировать несколько TGF во время гроз.
Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.
Анализ данных выявил четкую последовательность событий, ведущую к всплеску гамма-излучения.Перед ударом молнии радиочастотные датчики фиксировали движение «нисходящего отрицательного лидера» от облака к башне. Одновременно камеры регистрировали встречный «восходящий положительный лидер» от вершины вышки. Непосредственно перед их столкновением детекторы излучения фиксировали характерный сигнал TGF.
«Первый гамма-фотон вспышки был зарегистрирован за 31 микросекунду до столкновения разрядов, а сам всплеск длился около 20 микросекунд после их слияния в единый канал молнии», — уточнили исследователи.
Повторяемость этой последовательности позволила детально изучить процесс. Оказалось, что в момент сближения двух лидеров между ними формируется чрезвычайно сильное и компактное электрическое поле. Электроны, захваченные в этой области, испытывают колоссальное ускорение, достигая релятивистских скоростей, близких к скорости света. Именно это релятивистское движение электронов и генерирует высокоэнергетическое гамма-излучение. Несмотря на огромную мощность, выброс энергии оказывается очень кратковременным и затухает через 20 микросекунд после образования молнии.
«Наши результаты наглядно демонстрируют, что значительное количество электронов ускоряется до релятивистских энергий в интенсивном и локализованном электрическом поле между двумя встречными лидерами», — заключили авторы в своей публикации.
Практическое значение открытия для безопасности
Данное исследование не только подтверждает теоретические модели, но и предоставляет экспериментальные доказательства роли «теплового разгона» и «релятивистской обратной связи» в генерации TGF. Это важный шаг к полному пониманию высокоэнергетических атмосферных явлений.
«Возможность изучать такие экстремальные процессы, как TGF, прямо в молниях, позволяет нам лучше понимать физику высоких энергий в атмосфере нашей планеты», — пояснил ведущий автор Юки Вада.
С практической точки зрения, понимание механизмов TGF может способствовать повышению безопасности инфраструктуры. Знание того, как и когда возникают эти мощные всплески излучения, поможет лучше защищать здания, электростанции, самолеты и другие объекты, уязвимые к воздействию атмосферных явлений. Эта задача становится особенно актуальной в условиях глобального потепления, ведущего к учащению экстремальных погодных событий, включая грозы.
Читайте все последние новости астрофизики на New-Science.ru Читайте все последние новости природы на New-Science.ruБольше интересных статей здесь: Новости науки и техники.