Загадочное гамма-излучение во время грозы озадачило учёных

Грозы не только порождают молнии, грозовые облака также светятся и пузырятся в диапазоне гамма-лучей, как показывают полеты на переоборудованном самолете-шпионе. Мерцающее гамма-свечение, невидимое для наших глаз, может простираться на тысячи квадратных километров и длиться часами. Однако это гамма-излучение отличается от уже известных гамма-вспышек подобных гроз, о чем сообщают исследователи в журнале Nature.

Различия в зарядах в грозовом облаке могут генерировать огромные напряжения, превышающие миллиард вольт. Они разряжаются молниями, которые за долю секунды превращают окружающий воздух в плазму. В крайних случаях высвобождаются даже антиматерии и высокоэнергетические вспышки рентгеновского и гамма-излучения.

Но это ещё не всё, как показывают наблюдения с использованием переоборудованного самолета-шпиона времен холодной войны. Самолет, который сейчас использует НАСА, может летать в два раза выше, чем коммерческие самолеты, и намного быстрее.

"Это позволяет нам летать над вершинами грозовых облаков", — объясняет руководитель проекта Николай Остгаард (Nikolai Østgaard) из Бергенского университета. Целью было более детально изучить гамма-излучение во время гроз.

Для этого пришлось пролететь над несколькими сильными грозами в Карибском бассейне и Центральной Америке на высоте около 20 километров. Измерительный самолет зафиксировал происходящее в грозовых облаках и на их вершине с помощью пяти различных детекторов гамма-излучения, 30 фотометров и нескольких датчиков электрических полей, радиолокационных приборов и радиометров.

"Мы обнаружили, что тропические грозы над океаном и побережьем испускают гамма-лучи в течение нескольких часов", — заверили учёные.

Это гамма-свечение может простираться на тысячи квадратных километров и не является исключительным явлением: исследователи обнаружила его в девяти из десяти измерительных полетов.

"Похоже, что почти все сильные грозы постоянно генерируют гамма-лучи в различных формах", — сообщает соавтор Стив Каммер (Steve Cummer) из университета Дьюка.

Но вопреки тому, что предполагалось ранее, это гамма-излучение проявляется не только в виде коротких вспышек или очень слабого равномерного свечения: наблюдаемое сейчас явление больше похоже на динамическое мерцание или пузырение.

"Многие повторяющиеся пики радиации, каждый из которых длится несколько миллисекунд, следуют друг за другом", — сообщают исследователи.

Во время этих пиков радиации интенсивность гамма-излучения резко и кратковременно возрастает до 30 раз.

"Схемы движения и поведение этих гамма-светящихся грозовых облаков напоминают поведение огромного кипящего котла, полного гамма-излучения", — говорит соавтор Мартино Марисалди (Martino Marisaldi) из Бергенского университета.

Потому что начальные области этого мерцающего гамма-свечения внутри облака постоянно меняются. Самые сильные гамма-лучи, по-видимому, исходят из тех областей облака, где в настоящее время наблюдаются сильные конвекционные потоки.

"В результате на стадии развития и зрелости таких гроз обычно образуются несколько областей, которые активно излучают гамма-лучи", — констатируют ученые.

В общей сложности Остгаард и его команда зафиксировали более 500 таких "гнезд" гамма-лучей за десять своих измерительных полетов. В каждой из этих областей наблюдались повторяющиеся сильные пики гамма-излучения в течение нескольких секунд, затем они спадали, а затем снова вспыхивали.

Но что вызывает это бурлящее и мерцающее гамма-свечение? До сих пор существовало несколько теорий образования гамма-излучения во время гроз. Одна предполагает, что коротковолновое излучение высокой энергии возникает в результате взаимного аннигиляции частиц антивещества, образовавшихся в грозе. Когда эти позитроны аннигилируют, энергия высвобождается в виде гамма-фотонов — это может быть причиной слабого, но устойчивого гамма-свечения.

С другой стороны, короткие гамма-всплески гроз могут быть побочным эффектом видимых "обычных" молний: на пике своих сил быстрые электроны рассеиваются на частицах воздуха и создают самоусиливающуюся лавину высокомощных частиц энергии — гамма-всплеск.

Чтобы выяснить, какая из этих теорий применима к мерцающему гамма-свечению, исследователи сравнили его пики, среди прочего, с местом и временем обычных вспышек и другими данными измерений. В отличие от известных гамма-всплесков, недавно обнаруженное гамма-свечение не связано ни с обычными молниями, ни с связанными с ними радиоизлучениями.

"Это говорит о том, что разряды молний не участвуют в формировании мерцающего гамма-свечения", — заявляют Остгаард и его коллеги, которые также не обнаружили прямой связи с антивеществом.

Пока ученые не могут найти ответ на вопрос, что превращает грозовые тучи в кипящий "гамма-котёл", но классифицируют "это мерцающее гамма-свечение как новый природный феномен".

Однако они подозревают, что это явление представляет собой своего рода "недостающее звено" между ультракороткими гамма-всплесками и устойчивым, слабым гамма-свечением. Это длительное мерцание гамма-лучей может развиться из слабого нормального гамма-свечения и стать более интенсивным и пульсирующим.

На другом конце могут быть отдельные короткие гамма-всплески. Но как именно связаны все эти феномены и какие механизмы ими управляют, пока остается загадкой.

Уточнения

Гамма-всплеск — масштабный космический выброс энергии гамма-излучения электромагнитного спектра. Гамма-всплески (ГВ) — наиболее яркие электромагнитные события, происходящие во Вселенной.