Naukowcy zarejestrowali ziemski błysk gamma skierowany ku powierzchni Ziemi. Powstał tuż przed 5 uderzeniem jednego pioruna.
Piorun zwykle kojarzy nam się po prostu z mocnym błyskiem, grzmotem i ostrzeżeniem, żeby nie stać pod drzewem. Tym razem naukowcy zobaczyli jednak coś znacznie dziwniejszego. Jeden z piorunów nie tylko uderzył w ziemię, ale tuż przed jednym z uderzeń wygenerował krótki błysk gamma kierujący się ku powierzchni. Przez ułamek sekundy zwykła burza zachowała się jak naturalny akcelerator cząstek.
Piorun to nie tylko światło i huk
Błyskawica wygląda jak prosta kreska na niebie – kilka kilometrów światła i po sprawie. Jednak fizycznie to coś znacznie bardziej skomplikowanego. W chmurze burzowej narastają pola elektryczne tak silne, iż rozpędzają elektrony do prędkości, przy których zwykłe zderzenie z cząsteczką powietrza potrafi wyzwolić promieniowanie rentgenowskie. A gdy warunki są naprawdę ekstremalne – także gamma.
Takie zjawiska nazywa się ziemskimi błyskami gamma, czyli TGF, od angielskiego terrestrial gamma-ray flash. Nazwa brzmi kosmicznie, prawda? Chodzi jednak o coś, co może powstawać w naszej atmosferze. Przez lata takie błyski wykrywano głównie z orbity, bo część z nich jest skierowana w górę. Teraz coraz lepiej widać, iż niektóre mogą być skierowane w dół i docierać w okolice powierzchni Ziemi.
To wszystko świetnie pasuje do tego, o czym pisaliśmy w tekście: Jak rodzi się piorun? Naukowcy mają przełomową teorię. Tam główną rolę odgrywały elektrony rozpędzane w polu elektrycznym chmury, promieniowanie X i kaskada kolejnych cząstek. Nowa obserwacja pokazuje, iż ten sam burzowy mechanizm może mieć jeszcze bardziej energetyczną twarz.
Jeden piorun, 9 uderzeń i błysk przed piątym
Jak czytamy na łamach portalu Nauka w Polsce, opisany przez międzynarodowy zespół naukowców z udziałem badaczy z UŁ i NCBJ przypadek nie był jednym prostym uderzeniem. Całe wyładowanie składało się z 9 kolejnych trafień w ziemię i miało 3 różne punkty uderzenia. To ważne, bo piorun rzadko działa jak pojedyncza błyskawiczna igła przebijająca powietrze. Częściej jest serią zdarzeń, w której kolejne uderzenia wykorzystują kanał powstały wcześniej.
Sam błysk gamma pojawił się tuż przed 5 uderzeniem. Wcześniejsze części wyładowania przygotowały drogę przez powietrze, tworząc częściowo zjonizowany kanał, czyli obszar, w którym powstały swobodne ładunki. Kolejny impuls nie musiał więc przebijać się przez zupełnie świeże powietrze.
Istotną rolę odegrał tu tzw. lider strzałkowy – kanał wyładowania, który pędzi przed adekwatnym piorunem, torując mu drogę do ziemi. W pierwszych etapach lider często porusza się skokowo, jakby szukał najlepszej trasy. Jednak gdy ścieżka jest już częściowo zjonizowana, kolejne uderzenia mogą po niej pomknąć znacznie szybciej. W tym konkretnym przypadku lider poprzedzający piąte uderzenie był najszybszy w całej sekwencji – jakby znalazł już idealną linię.
23 mln m/s w atmosferze
Prędkość lidera oszacowano na około 23 mln m/s. To przez cały czas mniej niż prędkość światła, ale jak na zjawisko rozgrywające się w dolnej atmosferze jest to wartość robiąca ogromne wrażenie. Piorun zachowuje się tu jak niezwykle dynamiczny układ elektryczny, w którym w bardzo krótkim czasie powstają warunki do rozpędzania cząstek.
Piąte uderzenie miało też największy prąd szczytowy spośród wszystkich 9 uderzeń w tym wyładowaniu. To sugeruje, iż błysk gamma nie pojawił się w przypadkowym miejscu sekwencji. Złożyło się na niego kilka czynników: szybki lider, silny impuls, pozostałości ładunku po wcześniejszych uderzeniach oraz warunki panujące przed czołem rozwijającego się kanału.
Tak właśnie zwykła burza na moment zmienia się w laboratorium fizyki wysokich energii. Nie potrzebuje tunelu akceleratora, nadprzewodzących magnesów ani hali badawczej. Wystarczy chmura burzowa, potężne pole elektryczne i kanał wyładowania, który w ułamku sekundy rozpędza elektrony tak, iż ich zderzenia z powietrzem prowadzą do emisji gamma.
Detektor kosmicznych cząstek złapał burzę
Do obserwacji wykorzystano Telescope Array Surface Detector w stanie Utah – rozległą sieć detektorów, którą zbudowano z myślą o czymś zupełnie innym: badaniu promieniowania kosmicznego. Tym razem zadziałała jednak jak gigantyczne oko skierowane nie w głąb kosmosu, tylko w burzę szalejącą tuż nad nią. I zobaczyła coś, czego nikt wcześniej nie uchwycił z taką szczegółowością.
Błysk gamma zarejestrowało 6 sąsiednich detektorów. Impuls trwał około 68 mikrosekund, czyli 68 milionowych części sekundy. Energia zdeponowana w detektorach wyniosła natomiast 1352 MeV. Źródło emisji oszacowano na wysokości około 1,45 km nad ziemią, a więc bardzo nisko jak na zjawisko, które przez lata kojarzono głównie z obserwacjami satelitarnymi.
Promieniowanie gamma nie przyleciało więc z czarnej dziury, magnetara ani supernowej. Powstało w ziemskiej atmosferze, w końcowej fazie rozwoju kanału pioruna, krótko przed adekwatnym uderzeniem. Kosmiczny typ promieniowania miał bardzo ziemskie źródło.
Burze potrafią robić rzeczy, których po prostu nie widzimy
Ten temat nie jest zupełnie nowy. Pisaliśmy już o nim kilka lat temu przy okazji tekstu Legendarny samolot szpiegowski U-2 poleciał na niesamowitą misję. NASA dała mu popalić. Wtedy chodziło o program ALOFT, w którym naukowcy badali burze z wykorzystaniem samolotu ER-2, cywilnej wersji maszyny wywodzącej się z U-2. Celem było zrozumienie, jak burze generują promieniowanie gamma i inne wysokoenergetyczne zjawiska.
To wszystko jest bardzo ważne, bo nasze oczy widzą tylko najbardziej spektakularną część burzy: błysk, chmurę, deszcz, grad i piorun. Tymczasem w środku rozgrywa się znacznie bardziej złożona fizyka. Są pola elektryczne, przyspieszane elektrony, emisje radiowe, promieniowanie rentgenowskie, gamma, zmiany pola elektrycznego i szybkie procesy optyczne, których nie da się uchwycić zwykłą kamerą.
Nowa obserwacja jest cenna właśnie dlatego, iż nie ogranicza się do jednego sygnału. Naukowcy połączyli dane z detektorów promieniowania, mapowania radiowego, interferometru, szybkiej anteny i kamer. Dzięki temu mogli przypisać błysk gamma do konkretnego etapu rozwoju pioruna, a nie tylko powiedzieć: gdzieś była burza i coś wysokoenergetycznego się wydarzyło.
Czy to jest groźne dla ludzi?
Czy istnieją powody do obaw, jeżeli chodzi o nasze życie lub zdrowie? Promieniowanie gamma cechuje się wysoką przenikliwością, co może budzić niepokój, jednak w tym przypadku najważniejsze są skala i kontekst. Mowa o ekstremalnie krótkim, silnie zlokalizowanym impulsie, powstającym wyłącznie w specyficznych warunkach i w bezpośrednim sąsiedztwie kanału wyładowania atmosferycznego.
Badacze zmierzyli energię zdeponowaną w detektorach, ale nie przeliczali tego przypadku na dawkę dla człowieka stojącego w pobliżu. To oczywiście niezwykle fascynujące zjawisko fizyczne, ale podczas burzy przez cały czas największym zagrożeniem pozostaje sam piorun. To on może zabić, wywołać pożar, uszkodzić instalację elektryczną i porazić człowieka.
Nie ma więc powodu, żeby dopisywać do burz nową codzienną panikę pod hasłem: pioruny strzelają gamma. Jest za to bardzo dobry powód, żeby badać je dokładniej. Im lepiej rozumiemy procesy zachodzące w wyładowaniu, tym lepiej możemy opisać fizykę burz, zabezpieczać infrastrukturę i interpretować sygnały, które jeszcze niedawno wydawały się zarezerwowane dla kosmosu.
Ziemia też potrafi wysyłać sygnały gamma
Promieniowanie gamma kojarzymy zwykle z najbardziej ekstremalnymi zjawiskami we Wszechświecie. Supernowe, magnetary, czarne dziury, gwiazdy neutronowe, rozbłyski gamma – to wszystko to bardzo obszerny katalog kosmicznych potworów. Tymczasem Ziemia też potrafi na moment wejść do tej ligi, choć w miniaturowej, atmosferycznej wersji.
Oczywiście skala jest tutaj zupełnie inna. Piorun nie konkuruje z kosmicznym rozbłyskiem gamma, który potrafi być widoczny z odległości miliardów lat świetlnych. Jednak mechanizm przyspieszania cząstek i generowania wysokoenergetycznego promieniowania pokazuje coś pięknego: ta sama fizyka działa w bardzo różnych miejscach. W galaktyce, w pozostałości po supernowej, w laboratorium i w chmurze burzowej nad pustynią w Utah.
W tekście Rekordowe neutrino uderzyło w Ziemię. To nie był przypadek opisywaliśmy cząstkę z kosmosu, której energia rozpaliła wyobraźnię fizyków. Tutaj kierunek jest odwrotny: nie patrzymy na to, co Wszechświat wysłał do nas, ale na to, co nasza atmosfera sama potrafi wytworzyć w ekstremalnych warunkach.
Piorun okazał się bardziej złożony, niż wygląda
Obserwacja nie dotyczyła początku wyładowania, ale późniejszego etapu wielokrotnego pioruna. Wcześniej ziemskie błyski gamma skierowane w dół częściej wiązano z początkowymi fazami wyładowań albo z pierwszym uderzeniem. Tutaj emisja pojawiła się przy liderze strzałkowym poprzedzającym 5 uderzenie.
To może oznaczać, iż wysokoenergetyczne procesy w piorunach są bardziej rozciągnięte i różnorodne, niż sądzono. Promieniowanie rentgenowskie i błyski gamma mogą być częścią szerszego kontinuum zjawisk związanych z liderami wyładowań. Innymi słowy, piorun nie ma jednego prostego momentu, w którym dzieje się fizyka. Ona dzieje się przez cały rozwój kanału, tylko nie zawsze umiemy ją zobaczyć.
Wynik nie obiecuje końca świata, nie robi z burzy radioaktywnego potwora i nie udaje, iż każdy grzmot to kosmiczny kataklizm. To bardzo dobrze, bo w naszym życiu w ostatnich latach jest dużo chaosu i niepokoju. Pokazuje za to, iż zwykłe zjawisko za oknem ma w sobie poziom fizyki, który jeszcze niedawno kojarzylibyśmy z satelitami i akceleratorami. Piorun jest widoczny przez sekundę, ale w tej sekundzie potrafi opowiedzieć historię o cząstkach, energii i promieniowaniu, której gołym okiem nigdy byśmy nie zobaczyli.
