在罕見的閃電觸發伽馬射線方面取得突破

在猶他州西部的沙漠中，望遠鏡陣列橫跨紐約市大小的區域，等待宇宙射線。該設備探測到的高能粒子不斷與地球大氣碰撞，宇宙射線每隔幾分鐘就會觸發500多個感測器。在2013年的數據中，望遠鏡陣列物理學家發現了一個奇怪的粒子特徵，光子相當於由消防水龍帶加標點的細雨。該陣列出人意料地記錄了一種極其罕見的現象——伽馬射線，這是電磁光譜中最高能量的光波，是由雷擊產生的，輻射向下照射到地球表面。五年後，由猶他大學宇宙射線小組領導的一個國際團隊，比以往任何時候都更詳細地觀察到所謂的「向下地球伽馬射線閃光」(TGFs)。

在2014年到2016年間，望遠鏡陣列探測到10次向下的TGFs，這比世界其他地區的總和還多。望遠鏡陣列閃電項目是第一個在雲對地閃電開始時探測到向下的TGFs，並顯示它們在雷暴中產生的位置。望遠鏡陣列是目前為止唯一能夠記錄地面上完整的TGF「足跡」的設備，並且顯示伽馬射線覆蓋了直徑為3到5公里的區域。研究報告的主要作者、美國高能天體物理研究所(High-Energy Astrophysics Institute)和美國物理與天文系(Department of Physics &天文學)研究員拉沙阿巴西(Rasha Abbasi)說：真正酷的是，望遠鏡陣列並不是用來探測這些東西的，我們比其他實驗大100倍，我們的探測器響應時間要快得多。

所有這些因素都給了我們一個我們沒有意識到的能力——我們可以以其他人無法看到的方式來看待閃電。這項研究發表在《地球物理研究》期刊上。一個不小心完美的實驗室，該研究的基礎是去年發表的一項研究，該研究發現，在2008年至2013年之間發現的類似的高能粒子陣雨爆發之間存在很強的相關性，並且國家閃電探測網路記錄了閃電活動。物理學家們都驚呆了。在一毫秒內發生的探測器有四到五個觸發點。美國國家科學基金會資助的望遠鏡陣列閃電項目的首席研究員、美國物理學教授約翰·貝爾茲說：宇宙射線的速度比預期的要快得多。

最終意識到，所有這些奇怪的事件都發生在天氣不好的時候。所以，我們研究了國家閃電探測網路，然後發現，會有雷擊，在一毫秒內我們就會觸發脈衝。研究人員請來了新墨西哥理工大學朗繆爾實驗室的閃電專家，幫助他們更詳細地研究閃電。他們安裝了一個由該小組開發的九站閃電地圖陣列，該陣列產生了閃電在風暴中發出的輻射頻率輻射的3-D圖像。2014年，他們在陣列的中心安裝了一個額外的儀器，叫做「慢天線」，記錄了閃電放電引起的風暴電荷的變化。

綜合起來，望遠鏡陣列探測和閃電觀測是我們對TGFs理解的一個重大進步。在此之前，TGFs主要是由衛星探測到的，很少或沒有地面數據來表明它們是如何產生的。除了為探測伽馬射線提供更好的區域覆蓋外，陣列測量更接近TGF源，並表明伽馬射線是在短時間內產生的，每一段只持續10到幾十微秒。一個極其罕見的現象直到1994年費米衛星記錄了第一個TGF，物理學家認為只有劇烈的天體事件，如爆炸的恆星，才能產生伽馬射線。科學家們逐漸確定，這些射線是在閃電的最初幾毫秒內產生的，閃電將光線射向太空。自從發現這些向上的TGFs後，物理學家們一直在想，雲對地閃電是否也能產生類似的TGFs，從而向下照射到地球表面。

之前，只有6個向下的TGFs被記錄下來，其中兩個來自人工誘導的閃電實驗。在閃電已經擊中地面之後，剩下的四項關於自然閃電報告的研究都是晚些時候發出的。該陣列的觀測結果首次表明，在閃電的初始擊穿階段，類似於衛星觀測，出現了向下的TGFs。向下的TGFs來自於一個類似於向上的TGFs。我們可以有把握地假設，我們有類似的物理現象。我們在地面上看到的東西可以幫助解釋他們在衛星上看到的東西，我們可以把這些圖片結合起來，以了解它發生的機理。產生伽馬射線的機制還有待解決。

研究人員有很多問題沒有得到解答。例如，並非所有的閃電都能產生閃光。那是因為只有一種特殊類型的閃電產生嗎？科學家們只看到了TGFs的一個子集剛好足夠大，或者指向正確的方向，被檢測到嗎？該研究小組希望能給望遠鏡陣列帶來更多的感測器，以加強閃電測量。特別地，安裝一個無線電靜態探測「快速天線」將使物理學家能夠看到在閃電開始時電場變化的亞結構。通過引入其他類型的雷擊探測器和擴大努力，我認為我們可以成為這個領域的重要參與者。

博科園-科學科普｜參考期刊：地球物理研究｜來自：猶他大學

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！