Team gør gennembrud i forståelsen af ​​sjældne lynudløste gammastråler

I den vestlige Utah-ørken, Telescope Array spreder sig over et område på størrelse med New York City, venter på kosmiske stråler. Anlægget registrerer de højenergipartikler, der konstant kolliderer med Jordens atmosfære; de kosmiske stråler udløser 500-plus-sensorerne en gang hvert par minutter.

Mens der blev væltet over data i 2013, Telescope Array-fysikere opdagede en mærkelig partikelsignatur; fotonækvivalenten til en let støvregn præget af en brandslange. Arrayet havde uventet registreret et ekstremt sjældent fænomen - gammastråler, lysbølgerne med den højeste energi på det elektromagnetiske spektrum, produceret af lynnedslag, der sender strålingen nedad mod jordens overflade. Fem år senere, et internationalt hold ledet af Cosmic Ray Group ved University of Utah har observeret de såkaldte nedadgående terrestriske gammastråleglimt (TGF'er) mere detaljeret end nogensinde før.

Telescope Array registrerede 10 udbrud af nedadgående TGF'er mellem 2014 og 2016, flere begivenheder, end der er blevet observeret i resten af ​​verden tilsammen. Telescope Array Lightning Project er det første til at opdage nedadgående TGF'er i begyndelsen af ​​sky-til-jord lyn, og for at vise, hvor de stammer fra inde i tordenvejr. Telescope Array er langt den eneste facilitet, der er i stand til at dokumentere det fulde TGF "fodaftryk" på jorden, og viser, at gammastrålerne dækker et område på 3 til 5 km i diameter.

"Det, der er rigtig fedt, er, at Telescope Array ikke er designet til at opdage disse, " sagde hovedforfatter Rasha Abbasi, forsker ved High-Energy Astrophysics Institute og Institut for Fysik &Astronomi ved U. "Vi er 100 gange større end andre eksperimenter, og vores detektors responstid er meget hurtigere. Alle disse faktorer giver os den evne, vi ikke var klar over - vi kan se på lynet på en måde, som ingen andre kan."

Undersøgelsen blev offentliggjort online den 17. maj i Journal of Geophysical Research:Atmosfærer .

Et tilfældigt perfekt laboratorium

Arbejdet bygger på en undersøgelse offentliggjort af gruppen sidste år, der etablerede en stærk sammenhæng mellem lignende udbrud af energiske partikelbyger, der blev opdaget mellem 2008 og 2013, og lynaktivitet registreret af National Lightning Detection Network. Fysikerne var lamslåede.

"Det var BOOM BOOM BOOM BOOM. Som, fire eller fem udløsere af detektorerne sker inden for et millisekund. Meget hurtigere end man kunne forvente af kosmiske stråler, " sagde John Belz, professor i fysik ved U og hovedforsker af det National Science Foundation-finansierede Telescope Array Lightning Project. "Vi indså til sidst, at alle disse mærkelige begivenheder fandt sted, når vejret var dårligt. Så, vi så på National Lightning Detection Network og, lavt og se, der ville være et lynnedslag, og inden for et millisekund ville vi få et udbrud af triggere."

Forskerne hentede lyneksperter fra Langmuir Laboratory for Atmospheric Research ved New Mexico Tech for at hjælpe med at studere lynet mere detaljeret. De installerede en ni-stations Lightning Mapping Array udviklet af gruppen, som producerer 3-D-billeder af radiofrekvent stråling, som lynet udsender inde i en storm. I 2014 de installerede et ekstra instrument i midten af ​​arrayet, kaldet en "langsom antenne", der registrerer ændringer i stormens elektriske ladning forårsaget af lynudladningen.

"Taget sammen, Telescope Array-detektionerne og lynobservationerne udgør et stort fremskridt i vores forståelse af TGF'er. Forud for dette, TGF'er blev primært detekteret af satellitter, med få eller ingen jordbaserede data til at angive, hvordan de er produceret", sagde Paul Krehbiel, mangeårig lynforsker ved New Mexico Institute of Mining and Technology og medforfatter til undersøgelsen. "Ud over at give meget bedre arealdækning til detektering af gammastråler, array-målingerne er meget tættere på TGF-kilden og viser, at gammastrålerne produceres i kortvarige udbrud, hver kun varer ti til nogle få ti mikrosekunder."

Et yderst sjældent fænomen

Indtil en FERMI-satellit optog den første TGF i 1994, fysikere troede kun voldsomme himmelske begivenheder, såsom eksploderende stjerner, kunne producere gammastråler. Lidt efter lidt, videnskabsmænd fastslog, at strålerne blev produceret i de første millisekunder af opadgående lyn i skyen, som sendte strålerne ud i rummet. Siden opdagelsen af ​​disse opadgående TGF'er, fysikere har spekuleret på, om sky-til-jord lyn kunne producere lignende TGF'er, der stråler nedad til jordens overflade.

Tidligere, kun seks nedadgående TGF'er er nogensinde blevet registreret, hvoraf to kom fra kunstigt fremkaldte lyneksperimenter. De resterende fire undersøgelser med naturligt lyn rapporterer TGF'er, der stammer meget senere, efter at lynet allerede havde ramt jorden. Arrayets observationer er de første, der viser, at nedadgående TGF'er forekommer i lynets indledende nedbrydningsfase, svarende til satellitobservationer.

"De nedadgående TGF'er kommer fra en lignende kilde som de opadgående. Vi går ud fra, at vi har lignende fysik i gang. Det, vi ser på jorden, kan hjælpe med at forklare, hvad de ser i satellitterne, og vi kan kombinere disse billeder for at forstå mekanismen for, hvordan det sker, " sagde Abbasi.

"Mekanismen, der producerer gammastrålerne, er endnu ikke fundet ud af, " tilføjede Krehbiel.

Hvad er det næste

Forskerne har mange spørgsmål, der står ubesvaret. For eksempel, ikke alle lynnedslag skaber blinkene. Er det fordi kun én bestemt type lyninitiering frembringer dem? Ser forskerne kun en undergruppe af TGF'er, der tilfældigvis er store nok, eller pege i den rigtige retning, at blive opdaget?

Holdet håber at bringe yderligere sensorer til Telescope Array for at forbedre lynmålingerne. I særdeleshed, at installere en radio-statisk detekterende "hurtig antenne" ville gøre det muligt for fysikerne at se understrukturen i det elektriske felt ændre sig i begyndelsen af ​​flashen.

"Ved at bringe andre typer lyndetektorer og udvide indsatsen, Jeg tror, ​​vi kan blive en betydelig aktør på dette forskningsområde, " sagde Belz.