Lyn i øjenvæggen af ​​en orkan strålede antistof mod jorden

Orkanen Patricia, som ramte Mexicos vestkyst i 2015, var den mest intense tropiske cyklon nogensinde registreret på den vestlige halvkugle. Midt i stormens ekstreme vold, videnskabsmænd observerede noget nyt:en nedadgående stråle af positroner, antistof-modstykket til elektroner, skabe et udbrud af kraftige gammastråler og røntgenstråler.

Detekteret af et instrument ombord på NOAAs Hurricane Hunter-fly, som fløj gennem stormens øjenvæg på dets højeste intensitet, positronstrålen var ikke en overraskelse for UC Santa Cruz-forskerne, der byggede instrumentet. Men det var første gang nogen har observeret dette fænomen.

Ifølge David Smith, en professor i fysik ved UC Santa Cruz, positronstrålen var den nedadgående komponent af en opadgående terrestrisk gammastråle, der sendte et kort strålingsudbrud ud i rummet over stormen. Terrestriske gammastråleblink (TGF'er) blev første gang set i 1994 af rumbaserede gammastråledetektorer. De opstår i forbindelse med lyn og er nu blevet observeret tusindvis af gange af satellitter i kredsløb. En omvendt positronstråle blev forudsagt af teoretiske modeller af TGF'er, men var aldrig blevet opdaget.

"Dette er den første bekræftelse af den teoretiske forudsigelse, og det viser, at TGF'er gennemborer atmosfæren fra top til bund med højenergistråling, " sagde Smith. "Denne begivenhed kunne være blevet opdaget fra rummet, ligesom næsten alle de andre rapporterede TGF'er, som en opadgående stråle forårsaget af en lavine af elektroner. Vi så det nedefra på grund af en stråle af antistof (positroner) sendt i den modsatte retning."

En uventet konsekvens af undersøgelsen, udgivet 17. maj i Journal of Geophysical Research : Atmosfærer , er, at mange TGF'er kunne detekteres via den omvendte positronstråle ved hjælp af jordbaserede instrumenter i store højder. Det er ikke nødvendigt at flyve ind i øjet på en orkan.

"Vi opdagede det i en højde af 2,5 kilometer, og jeg vurderede, at vores detektorer kunne have set det ned til 1,5 kilometer. Det er højden af ​​Denver, så der er mange steder, hvor du i teorien kunne se dem, hvis du havde et instrument på det rigtige sted på det rigtige tidspunkt under et tordenvejr, " sagde Smith.

På trods af bekræftelsen af ​​den omvendte positronstråle, mange spørgsmål forbliver uløste om de mekanismer, der driver TGF'er. Stærke elektriske felter i tordenvejr kan accelerere elektroner til nær lysets hastighed, og disse "relativistiske" elektroner udsender gammastråler, når de spredes fra atomer i atmosfæren. Elektronerne kan også slå andre elektroner ud af atomer og accelerere dem til høje energier, skabe en lavine af relativistiske elektroner. En TGF, som er et ekstremt skarpt glimt af gammastråler, kræver et stort antal laviner af relativistiske elektroner.

"Det er en ekstraordinær begivenhed, og vi forstår stadig ikke, hvordan det bliver så lyst, " sagde Smith.

Kilden til positronerne, imidlertid, er et velkendt fænomen i fysik kaldet parproduktion, hvor en gammastråle interagerer med kernen i et atom for at skabe en elektron og en positron. Da de har modsatte afgifter, de accelereres i modsatte retninger af tordenvejrets elektriske felt. De nedadgående positroner producerer røntgenstråler og gammastråler i deres bevægelsesretning, når de kolliderer med atomkerner, ligesom de opadgående elektroner.

"Det, vi så i flyet, er gammastrålerne produceret af den nedadgående positronstråle, " sagde Smith.

Første forfatter Gregory Bowers, nu på Los Alamos National Laboratory, og medforfatter Nicole Kelley, nu hos Swift Navigation, var begge kandidatstuderende ved UC Santa Cruz, da de arbejdede sammen på det instrument, der foretog opdagelsen. Den luftbårne detektor for energiske lynemissioner (ADELE) mærke II blev designet til at observere TGF'er tæt på ved at måle røntgenstråler og gammastråler fra fly fløjet ind i eller over tordenvejr.

At komme for tæt på en TGF kan være farligt, selvom risikoen falder hurtigt med afstand fra kilden. Gammastråledosis i en afstand af en kilometer ville være ubetydelig, sagde Smith. "Det er hypotetisk en risiko, men oddsene er ret små, " sagde han. "Jeg beder ikke piloter om at flyve ind i tordenvejr, men hvis de alligevel går, sætter jeg et instrument ombord."

Smiths gruppe var den første til at opdage en TGF fra et fly ved hjælp af et tidligere instrument, ADELE-mærket I. I så fald den opadgående stråle fra TGF blev detekteret over et tordenvejr. Til denne undersøgelse, ADELE mark II fløj ombord på NOAA's Hurricane Hunter WP-3-D Orion under den atlantiske orkansæson.