Примерно тысячу раз в день грозы испускают мимолетные вспышки света самой высокой энергии, встречающегося в природе на Земле. Эти события, называемые земными гамма-вспышками, длятся менее миллисекунды и производят гамма-лучи, энергия которых в десятки миллионов раз превышает энергию видимого света. Фото: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
Вспышка молнии. Раскат грома. Это обычные грозовые зрелища и звуки. Но иногда высоко над облаками происходят более странные вещи. Наш космический гамма-телескоп Ферми зафиксировал вспышки гамма-лучей — одних из самых высокоэнергетических форм света во Вселенной — исходящих от гроз. Гамма-лучи обычно исходят от объектов с сумасшедшей экстремальной физикой, таких как нейтронные звезды и черные дыры. Так почему же Ферми видит, как они исходят от грозы?
Грозы образуются, когда теплый влажный воздух у земли начинает подниматься и встречается с более холодным воздухом. Когда теплый воздух поднимается вверх, влага конденсируется в капли воды. Поднимающиеся вверх капли воды сталкиваются с движущимися вниз кристаллами льда, отрывая электроны и создавая в облаке статический заряд.
Верхняя часть шторма становится положительно заряженной, а нижняя — отрицательной, как два конца батареи. В конце концов противоположные заряды накапливаются достаточно, чтобы преодолеть изолирующие свойства окружающего воздуха – и ура! Вы получаете молнию.
Ученые подозревают, что молния меняет электрическое поле облака. В некоторых случаях это позволяет электронам устремляться к верхней части бури почти со скоростью света. Это делает грозы самыми мощными природными ускорителями частиц на Земле.
Восходящие и нисходящие потоки во время грозы заставляют дождь, снег и лед сталкиваться и приобретать электрический заряд, что может вызвать молнию. При правильных условиях быстро движущиеся электроны могут создать земную вспышку гамма-излучения. Фото: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
Когда эти электроны сталкиваются с молекулами воздуха, они испускают земные вспышки гамма-излучения, а это означает, что грозы создают одни из самых высокоэнергетических форм света во Вселенной. Но это еще не все: грозы также могут производить антиматерию. Да, вы правильно прочитали. Иногда гамма-лучи сталкиваются с атомом и производят электрон и позитрон, который является противоположностью антиматерии электрона.
На этой иллюстрации показаны электроны, ускоряющиеся вверх от грозы. Фото: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
Ферми может обнаружить земные вспышки гамма-излучения в пределах 500 миль (800 километров) от места, расположенного непосредственно под космическим кораблем. Он делает это с помощью инструмента под названием «Монитор гамма-всплесков», который в основном используется для наблюдения за впечатляющими вспышками гамма-лучей, исходящими из Вселенной.
Взаимодействия с материей могут производить гамма-лучи и наоборот, как показано на этой иллюстрации. Электроны высокой энергии, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, могут отклоняться, проходя мимо атома или молекулы, создавая гамма-лучи. А гамма-луч, проходя через электронную оболочку атома, превращается в две частицы: электрон и позитрон. Фото: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
По оценкам, в любой момент времени на Земле происходит около 1800 гроз. За первые 10 лет пребывания в космосе Ферми зарегистрировал около 5000 земных гамма-вспышек. Но по оценкам учёных, каждый день происходит 1000 таких вспышек — мы видим только те, которые находятся в пределах 500 миль от обычных орбит Ферми и не охватывают США или Европу.
Визуализация десятилетних наблюдений Ферми земных гамма-вспышек. Фото: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
На карте выше показаны все вспышки, которые Ферми видел в период с 2008 по 2018 год. (Обратите внимание, что над нижней частью Южной Америки отсутствует пятно. Это Южно-Атлантическая аномалия, часть неба, где радиация воздействует на космические корабли и вызывает сбои в данных.)
Ферми также заметил наземные вспышки гамма-излучения, исходящие от отдельных тропических погодных систем. В 2014 году тропический шторм Хулио произвел четыре вспышки всего за 100 минут.
