Земные грозы уличены в отправке антиматерии в космос

Не так давно учёные открыли, что при грозах в земной атмосфере происходят события, весьма напоминающие те, что спутники наблюдают в глубинах Вселенной (иллюстрация Goddard Space Flight Center/J. Dwyer, Florida Inst. of Technology).

Удивительные вещи проявляются при изучении Земли с орбиты. Выяснилось, что грозы порой порождают узкие потоки антивещества, устремляющиеся на огромные высоты. Эта находка послужила великолепным развитием темы, поднятой ещё семнадцать лет назад, когда учёные узнали, что молнии способны генерировать гамма-вспышки.

Обнаружил этот феномен космический гамма-телескоп Fermi. Вообще-то его основная задача — отслеживание высокоэнергетических событий во Вселенной, поиск необычных объектов в далёких галактиках и в нашей собственной (недавно с его помощью в Млечном Пути были открыты таинственные гигантские пузыри).

Но астрофизики время от времени нацеливают аппарат на Землю: спутник оказался способен открывать тайны, долгое время скрывавшиеся у исследователей буквально под носом. Взять те же молнии. Каждый день на Земле таких "искорок" рождается порядка трёх миллионов. Казалось бы, явление изучено вдоль и поперёк. Но в 1994 году сенсоры на спутниках впервые зафиксировали гамма-лучи, рождаемые в ходе молниевых разрядов.

Молнии оказались самыми мощными естественными ускорителями частиц на Земле. Они разгоняют некоторые электроны почти до скорости света, а уже эти частицы, сталкиваясь с ядрами атомов в воздухе, порождают высокоэнергетические гамма-лучи, улавливаемые рядом спутников (иллюстрации NASA, Robert Kilgore).

Эти земные гамма-вспышки (TGF) среди прочих спутников теперь отслеживает и сравнительно молодой аппарат "Ферми" (он не проработал в космосе и трёх лет). По оценкам специалистов, ежедневно на нашей планете происходит примерно 500 гамма-вспышек во время гроз, большинство при этом остаются незамеченными.

Но если спутникам должно сильно повезти, чтобы уловить TGF, представьте, каково было удивление учёных, когда они поняли, что в один прекрасный день Fermi поймал вспышку, которую по всем расчётам никак не должен был увидеть. Случилось это событие 14 декабря 2009 года, в момент, когда аппарат пролетал над Египтом. Наделавшая шуму гроза бушевала в это время в Замбии, в 4,5 тысячах километров южнее.

С точки зрения спутника буря находилась за горизонтом, и поймать гамма-лучи от замбийских молний телескоп не мог. Но это произошло. Дальнейшее расследование "чуда" заняло много времени и привело к открытию, о котором команда исследователей, работающая с "Ферми", рассказала 10 января 2011 года на конференции Американского астрономического общества (217th AAS meeting) в Сиэтле.

В целом TGF длятся от 0,2 до 3,5 миллисекунды. На этой компьютерной модели показана вспышка "возрастом" 0,2 миллисекунды, родившаяся на высоте 15 километров. Жёлтым отмечены релятивистские электроны, пурпурным – гамма-излучение (иллюстрация Goddard Space Flight Center/J. Dwyer, Florida Inst. of Technology).

Как гласит пресс-релиз NASA, начинается весь процесс с восходящей лавины электронов, разгоняемых сильными полями в верхней части грозы. Эти частицы достигают релятивистских скоростей и при столкновении с атомами воздуха рождают гамма-излучение (ту самую вспышку TGF). На этом, однако, развитие вспышки не заканчивается.

Первоначальные фонтаны электронов устремляются из штормовых туч вверх достаточно широким потоком, но до космических аппаратов доходят редкие струи, так что регистрация подобных "взрывов" требует известной удачи (иллюстрация NASA).

В редких случаях высокоэнергетические гамма-кванты сталкиваются с другими атомами в атмосфере и преобразуются в пару электрон-позитрон. Эти частицы с огромной скоростью летят вверх, "наматываясь" по спирали вокруг линий земного магнитного поля.

По этим линиям частицы и добрались до спутника-телескопа, находящегося не только заметно выше земной гамма-вспышки, но и вовсе не над грозой, а существенно севернее. Позитроны, столкнувшиеся с сенсорами аппарата, немедленно аннигилировали, снова обратившись в гамма-кванты, которые и поймал "Ферми".

TGF через 1,4 миллисекунды после начала. Гамма-кванты уже проникают в космос. Электроны тоже устремляются вверх, но более собранным пучком, движущимся под углом к горизонту вдоль силовой линии магнитного поля Земли. На этой картинке уже можно разглядеть и позитроны (зелёный цвет), также отправляющиеся в путь наверх и далее за горизонт. Как та же самая TGF выглядит через 1,98 миллисекунд после начала, показано на рисунке под заголовком (иллюстрация Goddard Space Flight Center/J. Dwyer, Florida Inst. of Technology).

Интересно, что гамма-всплеск из Замбии Fermi уловил дважды с интервалом 23 миллисекунды. Учёные объяснили это так. Первый импульс телескоп записал, когда античастицы от TGF достигли аппарата. Но, пролетев дальше вдоль линии магнитного поля, этот пучок позитронов достиг так называемой зеркальной точки, где отразился и отправился назад точно по тому же пути. Этот обратный пучок позитронов вызвал второй всплеск в датчиках телескопа.

Член команды Fermi Майкл Бриггс (Michael Briggs) из университета Алабамы (UAH) объявил эти сигналы "первым прямым доказательством того, что грозы производят пучки античастиц ". (Работа учёных будет опубликована в Geophysical Research Letters.)

Позиция "Ферми" в момент поимки античастиц от грозы в Замбии. Пурпурная точка – вспышка TGF 091214. На врезке показан график сигнала. По вертикали – число импульсов за одну микросекунду, по горизонтали – время в миллисекундах. Самый высокий пик (время 0) – основной, второй по высоте (на отметке 23-25 миллисекунд) – "зеркальный", от возвращающихся античастиц. Жёлтый кружок – спутник над Египтом, синий – магнитная "зеркальная точка". Синяя полоса – силовая линия магнитного поля Земли (иллюстрация NASA/Goddard Space Flight Center).

Учёные предполагают, что вообще-то все TGF генерируют потоки античастиц, просто уловить их достаточно трудно. Сам "Ферми" зафиксировал четыре таких события рождения антиматерии в атмосфере (включая ту самую грозу в Замбии). А "простых" TGF непосредственно под собой орбитальный телескоп поймал уже больше сотни.

Теперь необходимо детальнее разобраться с этим интересным явлением, прояснить тонкости механизма рождения потока антиматерии и роль во всём этом самой молнии, — говорят американские исследователи.

Заметим, что исследователи долгое время предполагали, будто грозовые разряды способны порождать не только гамма-лучи, но и рентгеновские фотоны. Правда, в этом случае речь идёт уже не о верхушке грозы, а о начальном лидере, устремляющимся вниз в начале разряда.

И вот только недавно, летом 2010 года, Джозеф Дуайер (Joseph Dwyer) из технологического института Флориды (FIT) сумел впервые отснять это явление. (Кстати, Джозеф принимал участие и в работе по поимке античастиц от TGF.)

Физик построил видеокамеру размером с холодильник, детектор которой насчитывал всего 30 пикселей, но зато это был детектор рентгеновских и гамма-лучей.

Камера была установлена на автоприцепе и направлена на место, в которое должна была ударить натуральная молния. Её исследователь спровоцировал, забросив при помощи ракеты длинную медную проволоку в грозовую тучу.

Так выглядит природная молния, спровоцированная запуском миниатюрной ракеты с разматывающейся проволокой (фото Dustin Hill/International Center for Lightning Research and Testing).

Отснятые за 2,5 миллисекунды 25 рентгеновских кадров Джозеф превратил в ролик (его вы найдёте на этой страничке). В нём можно увидеть, в каких местах по мере продвижения разряда возникают рентгеновские лучи.

Ранее исследователи просто фиксировали сам факт рождения таких фотонов в момент удара молний, а Дуайер придумал, как буквально рассмотреть данный процесс. Это должно помочь в исследовании "рентгеновского" феномена молний.

Тем временем Джозеф собирается построить аналогичную камеру с 150 рентгеновскими детекторами, чтобы получить более детальный портрет такого обыденного, но всё ещё во многом загадочного явления, как молния.

Получение этих кадров молнии в рентгеновском диапазоне Дуайер сравнил с обретением "рентгеновского зрения Супермена". Яркие шестиугольники – это грубые пиксели, показывающие точки возникновения "X-лучей" по мере продвижения лидера к земле (фото Joseph Dwyer, Florida Institute of Technology).