In de westelijke woestijn van Utah, de Telescope Array strekt zich uit over een gebied ter grootte van New York City, wachten op kosmische straling. De faciliteit detecteert de hoogenergetische deeltjes die constant in botsing komen met de atmosfeer van de aarde; de kosmische stralen activeren de meer dan 500 sensoren eens in de paar minuten.

Tijdens het overlopen van gegevens in 2013 Telescope Array-fysici ontdekten een vreemde deeltjessignatuur; het foton-equivalent van een lichte motregen onderbroken door een brandslang. De array had onverwachts een uiterst zeldzaam fenomeen geregistreerd:gammastraling, de lichtgolven met de hoogste energie in het elektromagnetische spectrum, geproduceerd door blikseminslagen die de straling naar beneden naar het aardoppervlak sturen. Vijf jaar later, een internationaal team onder leiding van de Cosmic Ray Group van de Universiteit van Utah heeft de zogenaamde neerwaartse terrestrische gammastraalflitsen (TGF's) in meer detail dan ooit tevoren waargenomen.

De Telescope Array heeft tussen 2014 en 2016 10 uitbarstingen van neerwaartse TGF's gedetecteerd. meer gebeurtenissen dan in de rest van de wereld samen zijn waargenomen. Het Telescope Array Lightning Project is het eerste dat neerwaartse TGF's detecteert aan het begin van cloud-to-ground bliksem, en om te laten zien waar ze zijn ontstaan ​​in onweersbuien. De Telescope Array is verreweg de enige faciliteit die de volledige TGF-voetafdruk op de grond kan documenteren. en laat zien dat de gammastralen een gebied bestrijken met een diameter van 3 tot 5 km.

"Wat echt cool is, is dat de Telescope Array niet is ontworpen om deze te detecteren, " zei hoofdauteur Rasha Abbasi, onderzoeker aan het High-Energy Astrophysics Institute en het Department of Physics &Astronomy aan de U. "We zijn 100 keer groter dan andere experimenten, en de reactietijd van onze detector is veel sneller. Al deze factoren geven ons het vermogen waarvan we ons niet bewust waren - we kunnen naar bliksem kijken op een manier die niemand anders kan."

Het onderzoek is op 17 mei online gepubliceerd in The Journal of Geophysical Research:Atmosferen .

Een per ongeluk perfect laboratorium

Het werk bouwt voort op een studie die vorig jaar door de groep werd gepubliceerd en die een sterke correlatie aantoonde tussen vergelijkbare uitbarstingen van energetische deeltjesregens die tussen 2008 en 2013 werden gedetecteerd. en bliksemactiviteit geregistreerd door het National Lightning Detection Network. De natuurkundigen waren stomverbaasd.

"Het was BOOM BOOM BOOM BOOM. Zoals, vier of vijf triggers van de detectoren die binnen een milliseconde plaatsvinden. Veel sneller dan verwacht kon worden door kosmische straling, " zei John Belz, hoogleraar natuurkunde aan de U en hoofdonderzoeker van het door de National Science Foundation gefinancierde Telescope Array Lightning Project. "Uiteindelijk realiseerden we ons dat al deze vreemde gebeurtenissen plaatsvonden bij slecht weer. Dus, we hebben gekeken naar het National Lightning Detection Network en, lage en ziet, er zou een blikseminslag zijn, en binnen een milliseconde zouden we een uitbarsting van triggers krijgen."

De onderzoekers schakelden bliksemexperts van het Langmuir Laboratory for Atmospheric Research van New Mexico Tech in om de bliksem in meer detail te bestuderen. Ze installeerden een negen-station Lightning Mapping Array ontwikkeld door de groep, die 3D-beelden produceert van radiofrequente straling die bliksem uitzendt in een storm. In 2014, ze installeerden een extra instrument in het midden van de array, een "trage antenne" genoemd, die veranderingen in de elektrische lading van de storm registreert, veroorzaakt door de bliksemontlading.

"Bij elkaar genomen, de Telescope Array-detecties en de bliksemwaarnemingen vormen een belangrijke vooruitgang in ons begrip van TGF's. Voorafgaand hieraan, TGF's werden voornamelijk gedetecteerd door satellieten, met weinig of geen grondgebaseerde gegevens om aan te geven hoe ze worden geproduceerd", zei Paul Krehbiel, lange tijd bliksemonderzoeker aan het New Mexico Institute of Mining and Technology en co-auteur van de studie. "Naast het bieden van een veel betere gebiedsdekking voor het detecteren van gammastralen, de array-metingen liggen veel dichter bij de TGF-bron en laten zien dat de gammastralen in korte uitbarstingen worden geproduceerd, elk duurt slechts tien tot enkele tientallen microseconden."

Een uiterst zeldzaam fenomeen

Totdat een FERMI-satelliet in 1994 de eerste TGF registreerde, natuurkundigen dachten alleen aan gewelddadige hemelse gebeurtenissen, zoals exploderende sterren, gammastraling kan produceren. Geleidelijk, wetenschappers hebben vastgesteld dat de stralen werden geproduceerd in de eerste milliseconden van opwaartse intracloud-bliksem, die de stralen de ruimte in straalde. Sinds de ontdekking van deze opwaartse TGF's, natuurkundigen hebben zich afgevraagd of bliksem van wolk naar grond soortgelijke TGF's kan produceren die naar het aardoppervlak stralen.

Eerder, slechts zes neerwaartse TGF's zijn ooit geregistreerd, waarvan er twee afkomstig waren van kunstmatig opgewekte bliksemexperimenten. De overige vier studies met natuurlijke bliksem rapporteren TGF's die veel later zijn ontstaan, nadat de bliksem al op de grond was ingeslagen. De waarnemingen van de array zijn de eerste die aantonen dat neerwaartse TGF's optreden in de eerste fase van de afbraak van bliksem, vergelijkbaar met de satellietwaarnemingen.

"De neerwaartse TGF's komen uit een vergelijkbare bron als de opwaartse. We nemen veilig aan dat we vergelijkbare fysica hebben. Wat we op de grond zien, kan helpen verklaren wat ze in de satellieten zien, en we kunnen die foto's combineren om het mechanisme te begrijpen van hoe het gebeurt, ’, zei Abbasi.

"Het mechanisme dat de gammastralen produceert, moet nog worden ontdekt, ’ voegde Krehbiel eraan toe.

Wat is het volgende

De onderzoekers hebben veel vragen onbeantwoord. Bijvoorbeeld, niet alle blikseminslagen veroorzaken de flitsen. Is dat omdat slechts één bepaald type blikseminitiatie ze produceert? Zien de wetenschappers alleen een subset van TGF's die toevallig groot genoeg zijn, of in de goede richting wijzen, op te sporen?

Het team hoopt extra sensoren naar de Telescope Array te brengen om de bliksemmetingen te verbeteren. Vooral, het installeren van een radiostatische detectie "snelle antenne" zou de natuurkundigen in staat stellen om de substructuur in het elektrische veld aan het begin van de flits te zien veranderen.

"Door andere soorten bliksemdetectoren te brengen en de inspanning uit te breiden, Ik denk dat we een belangrijke speler kunnen worden op dit onderzoeksgebied, ' zei Belz.