Primul studiu din lume care demonstrează că fulgerele pot genera adevărate explozii de raze gamma

Momentul exact în care două curenți electrici se ciocnesc pentru a forma un fulger a fost surprins pentru prima dată, dezvăluind rolul crucial pe care acest proces îl joacă în generarea de raze gamma extrem de puternice – chiar aici, pe Pământ, scrie Science Alert. 

Această observație confirmă ipoteza conform căreia exploziile terestre de raze gamma (cunoscute sub numele de TGF – Terrestrial Gamma-ray Flashes) asociate cu fulgerele sunt rezultatul unui câmp electric foarte intens, care accelerează electronii până aproape de viteza luminii.

Deși fulgerele între nori și sol se formează rapid, acest proces nu este instantaneu

În cadrul unui experiment desfășurat în orașul Kanazawa, din prefectura Ishikawa, Japonia, o echipă de cercetători condusă de fizicianul Yuuki Wada de la Universitatea din Osaka a folosit un sistem avansat multi-senzor pentru a înregistra în slow motion, pe mai multe lungimi de undă, momentul în care două fulgere s-au ciocnit.

„Faptul că putem studia procese extreme, precum TGFs generate de fulgere, ne permite să înțelegem mai bine fenomenele cu energie înaltă care au loc în atmosfera Pământului”, explică Wada.

Deși fulgerele între nori și sol se formează rapid, acest proces nu este instantaneu – el necesită crearea unui traseu printr-un ”lider” de descărcare electrică. Aerul, în mod natural, nu este un bun conductor, însă acumularea de sarcină în atmosferă în timpul furtunilor poate ioniza aerul, formând un canal prin care curentul electric poate circula. Acesta este ”liderul” fulgerului, care poate porni din nori spre sol sau invers.

Rezultatele au arătat ceva neașteptat

TGFs apar atunci când electronii sunt accelerați până la viteze apropiate de cea a luminii, în câmpuri electrice intense generate de furtuni. Aceste cascade de particule sunt cunoscute sub numele de avalanșe de electroni relativiști și sunt considerate principalul mecanism pentru producerea razelor gamma în atmosferă.

Când acești electroni sunt brusc frânați prin coliziuni cu nucleele atomilor din aer, energia lor se transformă în radiație gamma – un tip de radiație cunoscut sub denumirea de radiație de frânare sau bremsstrahlung.

Cercetătorii au instalat un sistem terestru capabil să monitorizeze fulgerele pe frecvențe radio, optice și în spectrul radiațiilor de înaltă energie, reușind să capteze detalii la nivel de microsecunde.

Rezultatele au arătat ceva neașteptat: TGFs nu apar exact în același timp cu fulgerul, ci puțin înainte. Diferențele sunt însă incredibil de mici – de ordinul milionimilor de secundă – așa că, pentru ochiul uman, totul pare simultan. Doar echipamentele de ultimă generație pot face diferența.

Este pentru prima dată când oamenii de știință au observat și înregistrat direct acest proces

Echipa a observat două canale de descărcare a fulgerui: unul negativ, care cobora dintr-un nor de furtună spre un turn de televiziune, și unul pozitiv, care urca din acel turn spre cer. Cu puțin înainte ca cei doi lideri de sarcini opuse să se întâlnească, s-a format între ei un câmp electric extrem de concentrat, în care electronii au fost accelerați până la viteze relativiste.

Primul foton de raze gamma a fost detectat cu doar 31 de microsecunde – adică 31 de milionimi de secundă – înainte ca liderii să se ciocnească. Întreaga explozie de radiații gamma a durat până la 20 de microsecunde după coliziunea care a generat fulgerul.

Este pentru prima dată când oamenii de știință au observat și înregistrat direct acest proces, oferind o imagine nouă și extrem de detaliată asupra modului în care furtunile pot genera suficientă energie pentru a produce radiație gamma – cea mai energetică formă de lumină din spectrul electromagnetic.

„Observațiile multisenzor efectuate aici sunt o premieră mondială”, spune fizicianul Harufumi Tsuchiya de la Agenția Japoneză pentru Energie Atomică. „Deși mai rămân unele mistere, această tehnică ne-a adus mai aproape de a înțelege mecanismul acestor explozii fascinante de radiație.”

Studiul a fost publicat în revista Science Advances.