閃電在颶風(fēng)的眼墻中向地面射出反物質(zhì)

2015年颶風(fēng)帕特里夏颶風(fēng)襲擊了墨西哥西海岸，是西半球有史以來最強(qiáng)烈的熱帶氣旋。在暴風(fēng)雨的極端暴力中，科學(xué)家觀察到了一些新的東西：向下的正電子束，電子的反物質(zhì)對(duì)應(yīng)物，產(chǎn)生了一連串強(qiáng)大的伽馬射線和X射線。2015年颶風(fēng)帕特里夏颶風(fēng)襲擊了墨西哥西海岸，是西半球有史以來最強(qiáng)烈的熱帶氣旋。在暴風(fēng)雨的極端暴力事件中，科學(xué)家觀察到了一些新的東西：向下的正電子束，電子的反物質(zhì)對(duì)應(yīng)物，產(chǎn)生了強(qiáng)大的伽馬射線和X射線。

NOAA的颶風(fēng)獵人飛機(jī)上的一臺(tái)儀器檢測(cè)到它的峰值強(qiáng)度飛過風(fēng)暴的眼墻，正電子束對(duì)建造儀器的UC Santa Cruz科學(xué)家來說并不意外。但這是第一次有人觀察到這種現(xiàn)象。

根據(jù)加州大學(xué)圣克魯茲分校物理學(xué)教授大衛(wèi)史密斯的說法，正電子束是向上的地面伽馬射線閃光的向下成分，它向風(fēng)暴上空的空間發(fā)射了一小段輻射。1994年，天基伽馬射線探測(cè)器首次發(fā)現(xiàn)了地面伽馬射線閃光(TGFs)。它們與閃電一起發(fā)生，現(xiàn)在已經(jīng)被軌道衛(wèi)星觀測(cè)了數(shù)千次。通過TGFs的理論模型預(yù)測(cè)反向正電子束，但從未檢測(cè)到。

“這是該理論預(yù)測(cè)的第一次證實(shí)，它表明TGFs通過高能輻射從上到下穿透大氣層，”史密斯說。“這個(gè)事件可能是從太空中檢測(cè)到的，就像幾乎所有其他報(bào)告的TGFs一樣，是由電子雪崩引起的向上光束。我們從下面看到它是因?yàn)橐皇次镔|(zhì)(正電子)向相反的方向發(fā)射。”

5月17日發(fā)表在“地球物理研究雜志：大氣層”雜志上的這項(xiàng)研究的一個(gè)意想不到的暗示是，在高海拔地區(qū)使用地基儀器可以通過反向正電子束檢測(cè)到許多轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子。沒有必要飛入颶風(fēng)的眼睛。

“我們?cè)?.5公里的高度探測(cè)到它，我估計(jì)我們的探測(cè)器可以看到它低至1.5公里。這就是丹佛的海拔高度，所以如果你有一臺(tái)儀器，理論上你可以在很多地方看到它們?cè)诶妆┢陂g的正確時(shí)間，“史密斯說。

盡管反向正電子束得到了證實(shí)，但許多關(guān)于驅(qū)動(dòng)TGFs的機(jī)制尚未得到解決。雷暴中的強(qiáng)電場(chǎng)可以使電子加速到接近光速的速度，而這些“相對(duì)論”電子在它們從大氣中的原子散射時(shí)會(huì)發(fā)射伽馬射線。電子還可以將其他電子從原子中撞出并將它們加速到高能量，從而產(chǎn)生相對(duì)論電子的雪崩。TGF是一種極其明亮的伽馬射線，需要大量的相對(duì)論電子雪崩。

“這是一個(gè)非同尋常的事件，我們?nèi)匀徊幻靼姿侨绾巫兊萌绱嗣髁粒?rdquo;史密斯說。

然而，正電子源是物理學(xué)中眾所周知的現(xiàn)象，稱為對(duì)產(chǎn)生，其中伽馬射線與原子核相互作用產(chǎn)生電子和正電子。由于它們具有相反的電荷，它們通過雷暴的電場(chǎng)在相反的方向上加速。當(dāng)它們與原子核碰撞時(shí)，向下移動(dòng)的正電子在它們的行進(jìn)方向上產(chǎn)生X射線和伽馬射線，就像向上移動(dòng)的電子一樣。

“我們?cè)陲w機(jī)上看到的是向下正電子束產(chǎn)生的伽馬射線，”史密斯說。

現(xiàn)在在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的第一作者格雷戈里鮑爾斯和現(xiàn)在在斯威夫特航海的合著者妮可凱利，他們都是加州大學(xué)圣克魯茲分校的研究生，他們一起研究了進(jìn)行檢測(cè)的儀器。用于能量閃電發(fā)射的空中探測(cè)器(ADELE)標(biāo)記II旨在通過測(cè)量飛機(jī)飛入或超過雷暴的飛機(jī)的X射線和伽馬射線來近距離觀察TGFs。

太靠近TGF可能是危險(xiǎn)的，盡管風(fēng)險(xiǎn)隨著距離源的距離而迅速下降。史密斯說，距離一公里的伽馬射線劑量可以忽略不計(jì)。“這假設(shè)是風(fēng)險(xiǎn)，但可能性非常小，”他說。“我不會(huì)要求飛行員飛入雷陣雨，但如果他們要去，我會(huì)把一把儀器放在船上。”

史密斯小組是第一個(gè)使用早期儀器ADELE標(biāo)記I從飛機(jī)上檢測(cè)TGF的組。在這種情況下，來自TGF的向上光束在雷暴之上被檢測(cè)到。在這項(xiàng)研究中，ADELE mark II在大西洋颶風(fēng)季節(jié)期間乘坐NOAA的Hurricane Hunter WP-3D獵戶座。