В пустыне на западе штата Юта массив телескопов растянулся на площади размером с Нью-Йорк в ожидании космических лучей. Установка обнаруживает высокоэнергетические частицы, которые постоянно сталкиваются с атмосферой Земли; космические лучи активируют более 500 датчиков каждые несколько минут.
Обрабатывая данные в 2013 году, физики Telescope Array обнаружили странную сигнатуру частиц; фотонный эквивалент легкой мороси, перемежаемой пожарным шлангом. Группа неожиданно зафиксировала чрезвычайно редкое явление - гамма-лучи, световые волны с самой высокой энергией в электромагнитном спектре, возникающие в результате ударов молнии, направляющих излучение вниз к поверхности Земли. Пять лет спустя международная команда под руководством Cosmic Ray Group из Университета штата Юта наблюдала за так называемыми нисходящими земными гамма-вспышками (TGF) более подробно, чем когда-либо прежде.
The Telescope Array обнаружил 10 всплесков нисходящих TGF в период с 2014 по 2016 год, больше событий, чем наблюдалось в остальном мире вместе взятых. Проект Telescope Array Lightning Project - первый проект, в котором обнаружены нисходящие TGF в начале облачно-земляных молний и показано, где они возникают во время грозы. Телескопическая решетка на сегодняшний день является единственным объектом, способным задокументировать полный «след» TGF на земле и показать, что гамма-лучи покрывают площадь от 3 до 5 км в диаметре.
«Что действительно здорово, так это то, что массив телескопов не был разработан для их обнаружения», - сказал ведущий автор Раша Аббаси, научный сотрудник Института астрофизики высоких энергий и факультета физики и астрономии Университета США. В 100 раз больше, чем в других экспериментах, а время отклика нашего детектора намного меньше. Все эти факторы дают нам возможность, о которой мы не подозревали, - мы можем смотреть на молнию так, как никто другой».
Исследование, опубликованное 17 мая в журнале The Journal of Geophysical Research: Atmospheres.
Случайно идеальная лаборатория
Работа основана на исследовании, опубликованном группой в прошлом году, в котором была установлена тесная корреляция между аналогичными всплесками ливней энергичных частиц, обнаруженных между 2008 и 2013 годами, и активностью молний, зарегистрированной Национальной сетью обнаружения молний. Физики были ошеломлены.
«Это был БУМ-БУМ-БУМ-БУМ. Например, четыре или пять срабатываний детекторов происходили в течение миллисекунды. Гораздо быстрее, чем можно было ожидать от космических лучей», - сказал Джон Белз, профессор физики Университета США и директор исследователь проекта Telescope Array Lightning, финансируемого Национальным научным фондом. «В конце концов мы поняли, что все эти странные события произошли в плохую погоду. Итак, мы посмотрели на Национальную сеть обнаружения молний и, о чудо, удар молнии, и в течение миллисекунды мы получили бы всплеск триггеров».
Исследователи пригласили экспертов по молниям из Ленгмюровской лаборатории атмосферных исследований в Технологическом институте Нью-Мексико, чтобы помочь изучить молнии более подробно. Они установили массив картографирования молний с девятью станциями, разработанный группой, который создает трехмерные изображения радиочастотного излучения, которое молния излучает во время грозы. В 2014 году они установили в центре массива дополнительный прибор, названный «медленной антенной», который регистрирует изменения электрического заряда грозы, вызванные разрядом молнии.
Вместе обнаружение массива телескопов и наблюдения за молниями представляют собой значительный прогресс в нашем понимании TGF. До этого TGF в основном обнаруживались спутниками, с небольшим количеством наземных данных, чтобы указать, как они происходят. произведено», - сказал Пол Кребил, давний исследователь молний в Институте горного дела и технологий Нью-Мексико и соавтор исследования.«Помимо обеспечения гораздо лучшего покрытия территории для обнаружения гамма-лучей, измерения массива намного ближе к источнику TGF и показывают, что гамма-лучи производятся в виде коротких всплесков, каждый из которых длится всего от десяти до нескольких десятков микросекунд».
Крайне редкое явление
До тех пор, пока спутник FERMI не зафиксировал первый TGF в 1994 году, физики думали, что только сильные небесные явления, такие как взрывы звезд, могут производить гамма-лучи. Постепенно ученые определили, что лучи были произведены в первые миллисекунды восходящей внутриоблачной молнии, которая излучала лучи в космос. С тех пор, как были обнаружены восходящие TGF, физики задались вопросом, могут ли молнии, идущие от облака к земле, создавать аналогичные TGF, направленные вниз к поверхности Земли.
Ранее было зарегистрировано только шесть нисходящих TGF, два из которых были получены в результате экспериментов с искусственной молнией. Остальные четыре исследования с естественными молниями сообщают о TGF, возникших намного позже, после того, как молния уже ударила в землю. Наблюдения массива впервые показали, что нисходящие TGF возникают на начальной стадии пробоя молнии, подобно спутниковым наблюдениям.
Нисходящие TGF исходят из того же источника, что и восходящие. Мы с уверенностью предполагаем, что у нас происходит аналогичная физика. То, что мы видим на земле, может помочь объяснить то, что они видят на спутниках, и мы можем объединить эти картинки, чтобы понять механизм того, как это происходит», - сказал Аббаси.
«Механизм, который производит гамма-лучи, еще предстоит выяснить», - добавил Кребил.
Что дальше
У исследователей осталось много вопросов без ответа. Например, не все удары молнии вызывают вспышки. Это потому, что их производит только один конкретный тип молниеносной инициации? Ученые видят только подмножество TGF, которые оказались достаточно большими или указывают в правильном направлении, чтобы их можно было обнаружить?
Команда надеется добавить в массив телескопов дополнительные датчики, чтобы улучшить измерения молний. В частности, установка радиостатической обнаруживающей «быстрой антенны» позволила бы физикам увидеть субструктуру изменений электрического поля в начале вспышки.
«Я думаю, что, используя другие типы детекторов молний и расширяя усилия, мы можем стать важным игроком в этой области исследований», - сказал Белз.