Розкрито загадку виникнення наземних гамма-спалахів

Японські науковці вперше зареєстрували наземний гамма (γ) – спалах, що виник всього за 30 мікросекунд до взаємодії двох лідерів блискавки. Це рідкісне явище вдалося зафіксувати завдяки синхронним вимірюванням в оптичному, радіочастотному та гамма-діапазонах під час досліджень блискавок у районі телевеж міста Канадзава. Результати спостережень опубліковані в журналі Science Advances.

Під час гроз сильні електричні поля в хмарах прискорюють електрони, що призводить до випромінювання гамма-квантів. Одним із таких явищ є наземні гамма-сплески (TGF — Terrestrial Gamma-ray Flashes), які проявляються як короткі імпульси гамма-випромінювання під час розрядів блискавки. Вивчення цих процесів ускладнене їхньою короткочасністю та мінливими умовами. Дотепер вчені не мали чіткого уявлення про те, як саме блискавки здатні утворювати таку кількість гамма-випромінювання. Вперше подібні високоенергетичні сплески були виявлені ще у 1990-х роках із космосу, однак їх природа залишалася неясною. У подальші роки спостереження проводили з літаків, що входили безпосередньо в грозові системи, де фіксували високочастотні імпульси випромінювання під час блискавок. Проте саме наземні вимірювання, подібні до тих, які здійснили японські вчені, дали змогу точніше зрозуміти механізми цього явища.

Група дослідників під керівництвом Юкі Вади (Yuuki Wada) з Університету Осаки зафіксувала гамма-спалах, пов’язаний із взаємодією двох протилежно заряджених і спрямованих назустріч один до одного лідерів блискавки — від’ємного, що рухався донизу від хмари, та додатного, що піднімався вгору від поверхні землі. Спостереження проводилися взимку з використанням гамма-детекторів, радіочастотних антен і оптичних камер, спрямованих на дві телевежі в Канадзаві, у які часто влучають блискавки. Вчені зафіксували гамма-спалах у момент зближення лідерів, незадовго до удару блискавки у вежу, коли сила струму сягнула 56 кА (кілоампер).

Аналіз зібраних даних показав, що сплеск гамма-випромінювання розпочався ще до безпосереднього зіткнення лідерів — у момент їхнього зближення. Це дало підстави дослідникам висунути гіпотезу: спалах не був випадковим, а виник саме тоді, коли електричне поле між зустрічними лідерами досягло критичного значення, прискоривши електрони майже до швидкості світла. Саме ці електрони, стикаючись з атомами повітря, утворюють γ-кванти. У момент злиття лідерів відбувається так званий зворотний удар — безпосередній спалах блискавки. Довгий час вважалося, що гамма-промені виникають під час зворотного удару, проте нові дані змінили уявлення про цей процес і внесли деякі корективи.

У більш широкому контексті дослідження демонструє, що блискавка — це не просто атмосферне явище, а ще джерело імпульсів високих енергій, подібних до тих, які виникають в екстремальних умовах космосу — біля чорних дір чи нейтронних зірок. Грози, які колись здавалися людям магічними та приписувалися богам, тепер постають як надзвичайно складні електрофізичні системи з величезним потенціалом для фундаментальних наукових відкриттів.