Ураган Патрисия, обрушившийся на западное побережье Мексики в 2015 году, стал самым сильным тропическим циклоном, когда-либо зарегистрированным в Западном полушарии. Среди чрезвычайной силы шторма ученые наблюдали кое-что новое: направленный вниз пучок позитронов, аналога электронов из антивещества, создающий всплеск мощных гамма-лучей и рентгеновских лучей.
Обнаруженный прибором на борту самолета NOAA Hurricane Hunter, который пролетел сквозь шторм на пике интенсивности, позитронный луч не стал неожиданностью для ученых из Калифорнийского университета в Санта-Круз, создавших прибор. Но это был первый раз, когда кто-либо наблюдал это явление.
По словам Дэвида Смита, профессора физики Калифорнийского университета в Санта-Круз, позитронный пучок был нисходящим компонентом направленной вверх земной гамма-вспышки, которая послала короткий всплеск радиации в космос над бурей. Наземные вспышки гамма-излучения (TGF) были впервые обнаружены в 1994 году космическими детекторами гамма-излучения. Они происходят вместе с молниями и уже тысячи раз наблюдались орбитальными спутниками. Обратный позитронный пучок был предсказан теоретическими моделями TGF, но так и не был обнаружен.
«Это первое подтверждение этого теоретического предсказания, и оно показывает, что TGF пронзают атмосферу сверху донизу высокоэнергетическим излучением», - сказал Смит. «Это событие могло быть обнаружено из космоса, как и почти все другие зарегистрированные TGF, как восходящий луч, вызванный лавиной электронов. Мы видели его снизу из-за луча антивещества (позитронов), направленного в противоположном направлении."
Одно из неожиданных последствий исследования, опубликованного 17 мая в Журнале геофизических исследований: Атмосферы, заключается в том, что многие TGF могут быть обнаружены с помощью обратного позитронного луча с использованием наземных инструментов на больших высотах. Не обязательно лететь в эпицентр урагана.
Мы обнаружили его на высоте 2,5 километра, и я прикинул, что наши детекторы могли бы обнаружить его на высоте до 1,5 километра. Это высота Денвера, так что есть много мест, где теоретически вы могли бы их увидеть. если бы у вас был инструмент в нужном месте в нужное время во время грозы», - сказал Смит.
Несмотря на подтверждение обратного пучка позитронов, многие вопросы о механизмах, управляющих TGF, остаются нерешенными. Сильные электрические поля во время грозы могут разгонять электроны почти до скорости света, и эти «релятивистские» электроны испускают гамма-лучи, когда рассеиваются на атомах в атмосфере. Электроны также могут выбивать другие электроны из атомов и ускорять их до высоких энергий, создавая лавину релятивистских электронов. TGF, представляющий собой чрезвычайно яркую вспышку гамма-излучения, требует большого количества лавин релятивистских электронов.
"Это экстраординарное событие, и мы до сих пор не понимаем, как оно становится таким ярким", - сказал Смит.
Источником позитронов, однако, является хорошо известное в физике явление, называемое образованием пар, при котором гамма-луч взаимодействует с ядром атома, создавая электрон и позитрон. Поскольку они имеют противоположные заряды, они ускоряются в противоположных направлениях электрическим полем грозы. Позитроны, движущиеся вниз, испускают рентгеновские и гамма-лучи в направлении своего движения, когда сталкиваются с атомными ядрами, точно так же, как и движущиеся вверх электроны.
«То, что мы видели в самолете, - это гамма-лучи, испускаемые направленным вниз позитронным лучом», - сказал Смит.
Первый автор Грегори Бауэрс, ныне работающий в Лос-Аламосской национальной лаборатории, и соавтор Николь Келли, ныне работающая в Swift Navigation, оба были аспирантами Калифорнийского университета в Санта-Крузе, когда вместе работали над прибором, который сделал обнаружение. Бортовой детектор энергетического излучения молнии (ADELE) mark II был разработан для наблюдения TGF с близкого расстояния путем измерения рентгеновского и гамма-излучения от самолетов, летящих в грозу или над ней.
Подходить слишком близко к TGF может быть опасно, хотя риск быстро снижается по мере удаления от источника. По словам Смита, доза гамма-излучения на расстоянии одного километра будет незначительной. «Гипотетически это риск, но шансы довольно малы», - сказал он. «Я не прошу пилотов летать в грозу, но если они все равно летят, я поставлю на борт прибор».
Группа Смита была первой, кто обнаружил TGF с самолета, используя более ранний инструмент, ADELE mark I. В этом случае восходящий луч от TGF был обнаружен над грозой. Для этого исследования ADELE mark II летал на борту Hurricane Hunter WP-3D Orion NOAA во время сезона ураганов в Атлантике.