Позитронные грозы. Об атмосферных гамма-вспышках и источниках антивещества

Ранее я затрагивал на Хабре тему ядерных реакций с участием азота, происходящих в атмосфере под действием электрических разрядов. Статья «Азот и молнии ^[1]» от 30 августа 2021 года собрала впечатляющие 24,9% дочтений при всего 2,8% доскроллов. Сегодня я возвращаюсь к этой теме и хочу рассказать о том, что наряду с обычными молниями в земной атмосфере также возникают сильнейшие «тёмные молнии», называемые в научной литературе «TGF» («terrestial gamma flashes») – буквально «наземные гамма-всплески», которые всё-таки правильнее называть «гамма-всплесками земного происхождения ^[2]». Поразительность этих явлений не только в их радиоактивности, но и в том, что они являются естественными генераторами антивещества.

Тёмные молнии — это всплески гамма-излучения, происходящие во время сильных гроз при бомбардировке молекул воздуха чрезвычайно быстрыми электронами. Этот феномен был открыт ещё в 1994 году, но на тот момент исследователи полагали, что такие вспышки спровоцированы космическими лучами. Интерес к данному феномену во многом возник в ходе тщательной работы по выявлению необъявленных ядерных испытаний, ни одно из которых, впрочем, подтверждено не было. Так, ещё в 1979 году американский спутник Vela 6911 зафиксировал в небе над островами Принца Эдуарда к юго-востоку от ЮАР характерную двойную вспышку, напоминающую след атмосферного ядерного испытания. Событие получило название «Инцидент Vela ^[3]», и ни одна страна пока не взяла на себя ответственность за него. Согласно альтернативной версии, взрыв мог быть вызван попаданием метеорита в спутник.

Факт образования позитронов в атмосфере в результате облучения молекул газов высокоэнергетическими пучками космического происхождения также давно известен. В результате изучения именно таких реакций, описанных в 1930 году Полем Дираком, в 1932 году Карл Андерсон открыл в космических лучах позитрон — антиэлектрон, первую известную античастицу. На Хабре ранняя история изучения антивещества отлично описана в статье уважаемого @Bars21 ^[4] «Вещество и антивещество: что это такое, в чем разница и при чем тут нейтрино ^[5]».   

Всплеск гамма-излучения происходит непосредственно перед разрядом обычной (видимой) молнии и считается одним из самых высокоэнергетических естественных событий, происходящих на Земле.

В сутки происходит около тысячи TGF, которые приходятся в основном на крупные тропические и субтропические грозы. Такую вспышку очень сложно отследить с поверхности Земли, так как она длится до 2-3 миллисекунд; тем не менее, при тёмной молнии высвобождается до 20 миллионов электронвольт ^[6] энергии.

Такие события были впервые зафиксированы в 1994 году американской орбитальной обсерваторией «Комптон ^[7]», предназначенной именно для исследования гамма-излучения. Детекторы гамма-излучения работали в составе инструмента «BATSE» («Эксперимент для регистрации вспышечных и кратковременных источников»), состоявшего из 8 модулей, установленных в разных углах обсерватории. Каждый модуль представлял собой кристалл NaI(Tl) диаметром 50,48 см и толщиной 1,257 см с рабочим энергетическим диапазоном 20 кэВ — 2 МэВ, и кристалл NaI диаметром 12,7 см толщиной 7,62 см с расширенным энергетическим диапазоном до 8 МэВ.

BATSE обнаружил более 2700 ^[8] таких гамма-всплесков, что позволило не только определить их основные свойства, но и собрать статистическую информацию по их мощности и длительности. Оказалось, что такие всплески рождаются в высоких облаках, и их разряды направлены вверх — поэтому их и удобнее всего изучать со спутников.

С середины 2000-x предпринимались попытки зафиксировать TGF не только с орбиты, но и в пределах атмосферы. Такие эксперименты очень опасны, поскольку требуют подобраться как можно ближе к источнику молний в толще грозового облака. Тем не менее, среди них был ряд удачных опытов, о которых я расскажу ниже.

Физическое сходство обычных и тёмных молний

Всем известная электрическая молния возникает в атмосфере при контакте двух крупных воздушных масс с противоположным электрическим зарядом. Крупный электрический разряд возникает между грозовой тучей и высоким наземным объектом, являющимся хорошим проводником, но до этого более мелкие молнии проскакивают между облаками, пока в одном из них не накопится мощный электрический потенциал, который разрядится в землю. Первичным источником энергии для обычной молнии является статическое электричество, накапливающееся при взаимном трении кристаллов льда или капель воды в грозовом облаке. Постепенно верхняя часть тучи приобретает положительный заряд, а основание — отрицательный.  

В то же время положительно заряженные частицы с земли устремляются вверх, и происходит ещё один разряд, направленный вверх, так называемый «возвратный удар». 

Электрическое поле молнии разгоняет электроны практически до скорости света, и они, сталкиваясь с молекулами воздуха, генерируют тормозное излучение ^[9], которое и является «тлеющим» источником позитронов. При контакте электрон и позитрон аннигилируют, и их энергия превращается в гамма-излучение. Этот механизм образования гамма-вспышек в грозовых облаках был известен с конца XX века, поэтому открытие гораздо более мощных и кратковременных TGF стало сюрпризом.

Одно из первых доказательств существования естественных TGF атмосферного происхождения было получено в 2006 году в результате невероятного стечения обстоятельств ^[10]: 27 октября два спутника практически одновременно прошли каждый на расстоянии около 300 километров от крупной грозы в Венесуэле. На одном из них был установлен детектор оптического излучения, а на другом — детектор гамма-излучения.

На этой карте хорошо заметна сдвоенная гроза, произошедшая над заливом-озером Маракайбо. Это регион с одними из самых сильных и частых гроз на Земле, особенно в устье реки Кататумбо ^[11]. Именно эти места считаются самым крупным источником тропосферного озона на Земле, типичная ночь там выглядит так:

Спутник TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) был оснащён оптическим детектором молний ^[12], а на спутнике RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) стояли детекторы рентгеновского и гамма-излучения. Первый аппарат был космической метеостанцией и предназначался для изучения атмосферных явлений, тогда как второй фиксировал рентгеновские и гамма-всплески космического происхождения. Но в тот момент они оба оказались настолько близко от грозы, что по полученным с них данных удалось сопоставить молнию со всплеском гамма-излучения, который предшествовал разряду молнии, был направлен в космос и продлился примерно 70 микросекунд.

Специализированные телескопы

Тем самым удалось установить источник TGF — сильные электрические поля на вершинах грозовых облаков. На момент этого открытия NASA уже планировало выводить на орбиту телескоп Fermi ^[13], предназначенный для поиска высокоэнергетических гамма-всплесков в космосе. Он был запущен 11 июня 2008 года и работает до сих пор, но планируется, что до конца 2026 года его миссия завершится. Наряду с фундаментальными исследованиями галактических гамма-всплесков и открытием ранее не известных космических объектов, в частности, колоссальных пузырей Ферми ^[14], о которых писал на Хабре уважаемый @SLY_G, этот телескоп провёл большую работу по поиску TGF, зафиксировав в атмосфере Земли более 130 таких событий.

Этих данных оказалось достаточно для моделирования атмосферных TGF, направленных из облаков на орбиту, но в 2013 году были открыты и TGF, бьющие в землю и накрывающие большие площади. Они были обнаружены на исследовательском комплексе Telescope Array ^[15], расположенном на западе штата Юта близ города Дельта, где развёрнут массив из более чем 500 сенсоров для отслеживания космических лучей. Комплекс находится на высоте около 1400 метров, и в этом районе частицы из космоса фиксируются не реже, чем раз в несколько минут.

Разбирая в 2013 году накопленные данные, физики обнаружили странную сигнатуру, присущую высокоэнергетическим фотонам гамма-излучения. Эти данные были переданы в группу по изучению космических лучей университета Юта, которая смогла уверенно классифицировать явление как нисходящий TGF.

В период с 2014 по 2016 год Telescope Array зарегистрировал 10 таких попаданий на территории комплекса. Команда установила, что нисходящие TGF также образуются в ходе сильных гроз, а на земле такой всплеск накрывает область диаметром от 3 до 5 километров. Дальнейшие исследования показали, что при сильных грозах к земле могут быть направлены не только TGF-подобные гамма-всплески, но и гораздо более длительное гамма-свечение ^[16]. Такое событие может продолжаться до нескольких минут и, по-видимому, вызывается лавиной грозовых электронов, разогнанных до релятивистских скоростей.

Моделирование

Систематическое моделирование атмосферных TGF стало возможно около 2009 года, когда телескоп Fermi накопил достаточный массив данных. Было установлено, что в ходе таких всплесков образуются не только позитроны, но и нейтроны, и, тогда как позитроны в основном успевают аннигилировать ещё в грозовой туче, нейтроны могут достигать поверхности земли. На 500-километровой высоте, где атмосферы уже нет, и поэтому аннигиляция происходит не так быстро, многочисленные позитроны легко фиксируются спутником.  

Таким образом, для точного моделирования этих процессов нужно учесть разные частицы и широкий диапазон энергий, а также химический состав воздуха. Эту работу провели в 2015 году ^[17] Кристофер Кён и Ута Эберт из Голландского центра математики и информатики (CWI). Они смоделировали разряд тёмной молнии по методу MC/PIC, где MC – это метод Монте-Карло ^[18], а PIC — приближение по методу частиц в ячейках ^[19]. В данном случае путь электронов по классическим и релятивистским траекториям между молекулами воздуха, а также их столкновение с позитронами и попадание в молекулы воздуха моделируется как последовательность случайных событий. Движение электронов усредняется в соответствии с уравнением Больцмана ^[20]. Таким образом, удаётся построить систему дифференциальных уравнений для расчёта плотности электронов, потока электронов, энергии электронов и энергии потока электронов. Также в модели применялось уравнение Пуассона ^[21], позволяющее проследить развитие этого процесса во времени. Получается такая визуализация, в которой наблюдаем рассеяние всплеска, направление потока электронов и в противоположном направлении — поток позитронов и нейтронов.  

Модель Кёна и Эберт показала, что позитронный всплеск распространяется преимущественно вверх и в стороны, то есть слабо проникает в нижние слои атмосферы, однако поток грозовых нейтронов достаточно силён, чтобы достичь земли, а сильные тропические грозы обладают измеримой радиоактивностью. Вот три кадра из этой модели, на которых розовым цветом обозначены гамма-лучи, жёлтым — электроны, а зелёным — позитроны. Позитроны быстро аннигилируют, и сам гамма-всплеск является результатом такой аннигиляции.

Авиалабораторя ALOFT

Ещё более амбициозный проект предприняли в 2023 году физики-метеорологи Николаи Эстгор (Nikolai Østgaard), ранее известный как один из ведущих исследователей полярных сияний ^[22], и Мартино Марисальди из Бергенского университета, а также их соавтор Стивен Каммер ^[23], заслуженный профессор инженерных наук из Университета Дьюка в Северной Каролине. Они арендовали принадлежащий NASA самолёт Lockheed U-2, переоборудованный в воздушную обсерваторию. Это знаменитый американский самолёт-шпион времён Холодной Войны, различные модели которого используются с 1956 года. U-2 предназначен для работы на высоте более 20 км. Кроме того, он развивает скорость, достаточную как для преследования грозы, так и для ускользания от неё в случае опасности.

В рамках эксперимента было выполнено 10 полётов в непосредственной близости от грозовых облаков в районе Карибского моря и Центральной Америки. Аппаратный комплекс, установленный на самолёте, называется ALOFT (Воздушная обсерватория для непосредственного изучения и картирования молний и гамма-вспышек околоземного происхождения).

Полёты показали, что TGF в атмосфере гораздо более многочисленны, чем считалось ранее, но в основном они недостаточно яркие, чтобы заметить их со спутника. Оказалось, что в плоскости облака всплески гамма-излучения медленно просачиваются на ширину до 100 километров. Более того, гамма-свечение сопровождалось ранее не известными «мерцающими гамма-вспышками ^[24]» (FGF), после которых следовали мощные молнии в видимом спектре.

Заключение

Описанные эксперименты открывают практически неисхоженное поле для исследования атмосферных источников антивещества и показывают, что граница между высотными атмосферными и космическими явлениями в очередной раз оказывается зыбкой и проницаемой. Тропическая гроза может представлять реальную опасность как источник жёсткого ионизирующего излучения, особенно для пассажирских самолётов и в регионах, расположенных выше 2000 метров над уровнем моря, где TGF могут достигать Земли. В случае с пассажирскими авиаперелётами опасность не так велика, поскольку и пилоты, и диспетчеры пытаются обходить грозовые фронты, а среднестатистический человек, активно пользующийся авиалиниями в тропиках, всё равно может буквально несколько раз в жизни попасть в такие сложные метеорологические условия. Однако повсеместность описанных событий и разнообразие TGF и схожих с ними явлений, а также в целом понятная и поддающаяся компьютерному моделированию физика этих процессов, возможно, открывают путь к созданию установок для промышленного получения антивещества или даже для сборки первых антивещественных реакторов. В сущности, грозовое облако над Маракайбо является естественным антивещественным реактором. Позже постараюсь подробнее разобрать эту тему на Хабре.