Гроза на Земле отправляет антиматерию в космос
Не так давно учёные открыли, что при грозах в земной атмосфере происходят события, весьма напоминающие те, что спутники наблюдают в глубинах Вселенной (иллюстрация Goddard Space Flight Center/J. Dwyer, Florida Inst. of Technology).
Удивительные вещи проявляются при изучении Земли с орбиты. Выяснилось, что грозы порой порождают узкие потоки антивещества, устремляющиеся на огромные высоты. Эта находка послужила великолепным развитием темы, поднятой ещё семнадцать лет назад, когда учёные узнали, что молнии способны генерировать гамма-вспышки.
Обнаружил этот феномен космический гамма-телескоп Fermi. Вообще-то его основная задача — отслеживание высокоэнергетических событий во Вселенной, поиск необычных объектов в далёких галактиках и в нашей собственной (недавно с его помощью в Млечном Пути были открыты таинственные гигантские пузыри).
Но астрофизики время от времени нацеливают аппарат на Землю: спутник оказался способен открывать тайны, долгое время скрывавшиеся у исследователей буквально под носом. Взять те же молнии. Каждый день на Земле таких «искорок» рождается порядка трёх миллионов. Казалось бы, явление изучено вдоль и поперёк. Но в 1994 году сенсоры на спутниках впервые зафиксировали гамма-лучи, рождаемые в ходе молниевых разрядов.
Молнии оказались самыми мощными естественными ускорителями частиц на Земле. Они разгоняют некоторые электроны почти до скорости света, а уже эти частицы, сталкиваясь с ядрами атомов в воздухе, порождают высокоэнергетические гамма-лучи, улавливаемые рядом спутников (иллюстрации NASA, Robert Kilgore).
Эти земные гамма-вспышки (TGF) среди прочих спутников теперь отслеживает и сравнительно молодой аппарат «Ферми» (он не проработал в космосе и трёх лет). По оценкам специалистов, ежедневно на нашей планете происходит примерно 500 гамма-вспышек во время гроз, большинство при этом остаются незамеченными.
Но если спутникам должно сильно повезти, чтобы уловить TGF, представьте, каково было удивление учёных, когда они поняли, что в один прекрасный день Fermi поймал вспышку, которую по всем расчётам никак не должен был увидеть. Случилось это событие 14 декабря 2009 года, в момент, когда аппарат пролетал над Египтом. Наделавшая шуму гроза бушевала в это время в Замбии, в 4,5 тысячах километров южнее.
С точки зрения спутника буря находилась за горизонтом, и поймать гамма-лучи от замбийских молний телескоп не мог. Но это произошло. Дальнейшее расследование «чуда» заняло много времени и привело к открытию, о котором команда исследователей, работающая с «Ферми», рассказала 10 января 2011 года на конференции Американского астрономического общества (217th AAS meeting) в Сиэтле.
В целом TGF длятся от 0,2 до 3,5 миллисекунды. На этой компьютерной модели показана вспышка «возрастом» 0,2 миллисекунды, родившаяся на высоте 15 километров. Жёлтым отмечены релятивистские электроны, пурпурным – гамма-излучение (иллюстрация Goddard Space Flight Center/J. Dwyer, Florida Inst. of Technology).
Как гласит пресс-релиз NASA, начинается весь процесс с восходящей лавины электронов, разгоняемых сильными полями в верхней части грозы. Эти частицы достигают релятивистских скоростей и при столкновении с атомами воздуха рождают гамма-излучение (ту самую вспышку TGF). На этом, однако, развитие вспышки не заканчивается.
Первоначальные фонтаны электронов устремляются из штормовых туч вверх достаточно широким потоком, но до космических аппаратов доходят редкие струи, так что регистрация подобных «взрывов» требует известной удачи (иллюстрация NASA).
В редких случаях высокоэнергетические гамма-кванты сталкиваются с другими атомами в атмосфере и преобразуются в пару электрон-позитрон. Эти частицы с огромной скоростью летят вверх, «наматываясь» по спирали вокруг линий земного магнитного поля.
По этим линиям частицы и добрались до спутника-телескопа, находящегося не только заметно выше земной гамма-вспышки, но и вовсе не над грозой, а существенно севернее. Позитроны, столкнувшиеся с сенсорами аппарата, немедленно аннигилировали, снова обратившись в гамма-кванты, которые и поймал «Ферми».
TGF через 1,4 миллисекунды после начала. Гамма-кванты уже проникают в космос. Электроны тоже устремляются вверх, но более собранным пучком, движущимся под углом к горизонту вдоль силовой линии магнитного поля Земли. На этой картинке уже можно разглядеть и позитроны (зелёный цвет), также отправляющиеся в путь наверх и далее за горизонт. Как та же самая TGF выглядит через 1,98 миллисекунд после начала, показано на рисунке под заголовком (иллюстрация Goddard Space Flight Center/J. Dwyer, Florida Inst. of Technology).
Интересно, что гамма-всплеск из Замбии Fermi уловил дважды с интервалом 23 миллисекунды. Учёные объяснили это так. Первый импульс телескоп записал, когда античастицы от TGF достигли аппарата. Но, пролетев дальше вдоль линии магнитного поля, этот пучок позитронов достиг так называемой зеркальной точки, где отразился и отправился назад точно по тому же пути. Этот обратный пучок позитронов вызвал второй всплеск в датчиках телескопа.
Член команды Fermi Майкл Бриггс (Michael Briggs) из университета Алабамы (UAH) объявил эти сигналы «первым прямым доказательством того, что грозы производят пучки античастиц «. (Работа учёных будет опубликована в Geophysical Research Letters.)
Позиция «Ферми» в момент поимки античастиц от грозы в Замбии. Пурпурная точка – вспышка TGF 091214. На врезке показан график сигнала. По вертикали – число импульсов за одну микросекунду, по горизонтали – время в миллисекундах. Самый высокий пик (время 0) – основной, второй по высоте (на отметке 23-25 миллисекунд) – «зеркальный», от возвращающихся античастиц. Жёлтый кружок – спутник над Египтом, синий – магнитная «зеркальная точка». Синяя полоса – силовая линия магнитного поля Земли (иллюстрация NASA/Goddard Space Flight Center).
Учёные предполагают, что вообще-то все TGF генерируют потоки античастиц, просто уловить их достаточно трудно. Сам «Ферми» зафиксировал четыре таких события рождения антиматерии в атмосфере (включая ту самую грозу в Замбии). А «простых» TGF непосредственно под собой орбитальный телескоп поймал уже больше сотни.
Теперь необходимо детальнее разобраться с этим интересным явлением, прояснить тонкости механизма рождения потока антиматерии и роль во всём этом самой молнии, — говорят американские исследователи.
Заметим, что исследователи долгое время предполагали, будто грозовые разряды способны порождать не только гамма-лучи, но и рентгеновские фотоны. Правда, в этом случае речь идёт уже не о верхушке грозы, а о начальном лидере, устремляющимся вниз в начале разряда.
И вот только недавно, летом 2010 года, Джозеф Дуайер (Joseph Dwyer) из технологического института Флориды (FIT) сумел впервые отснять это явление. (Кстати, Джозеф принимал участие и в работе по поимке античастиц от TGF.)
Физик построил видеокамеру размером с холодильник, детектор которой насчитывал всего 30 пикселей, но зато это был детектор рентгеновских и гамма-лучей.
Камера была установлена на автоприцепе и направлена на место, в которое должна была ударить натуральная молния. Её исследователь спровоцировал, забросив при помощи ракеты длинную медную проволоку в грозовую тучу.
Так выглядит природная молния, спровоцированная запуском миниатюрной ракеты с разматывающейся проволокой (фото Dustin Hill/International Center for Lightning Research and Testing).
Отснятые за 2,5 миллисекунды 25 рентгеновских кадров Джозеф превратил в ролик (его вы найдёте на этой страничке). В нём можно увидеть, в каких местах по мере продвижения разряда возникают рентгеновские лучи.
Ранее исследователи просто фиксировали сам факт рождения таких фотонов в момент удара молний, а Дуайер придумал, как буквально рассмотреть данный процесс. Это должно помочь в исследовании «рентгеновского» феномена молний.
Тем временем Джозеф собирается построить аналогичную камеру с 150 рентгеновскими детекторами, чтобы получить более детальный портрет такого обыденного, но всё ещё во многом загадочного явления, как молния.
Получение этих кадров молнии в рентгеновском диапазоне Дуайер сравнил с обретением «рентгеновского зрения Супермена». Яркие шестиугольники – это грубые пиксели, показывающие точки возникновения «X-лучей» по мере продвижения лидера к земле (фото Joseph Dwyer, Florida Institute of Technology).
Источник
АСТРОновости
Новости о самых интересных астрономических исследованиях и открытиях
Так выглядят земные грозы из космоса
Снять удар молнии — настоящая находка для любого фотографа. Но как выглядит это захватывающее явление природы, если смотреть на него сверху? Американская женщина-астронавт Карен Найберг (Karen Nyberg) сделала с борта МКС эффектные снимки грозы.
На фото мы видим грозу над Атлантическим океаном у побережья Бразилии.
43-летняя Карен Найберг, которая находится на борту Международной космической станции (МКС) с конца мая, сделала удивительную серию снимков гроз над поверхностью Земли с высоты около 400 км. Эти фотографии не только передают драматизм и красоту явления. Они важны также с познавательной точки зрения, так как показывают, что гроза из космоса выглядит совершенно иначе, чем с нашей планеты.
Зарегистрированы грозы были по всей Азии (слева) Фото: NASA Гроза над над Лос-Анджелесом 21 июля 2013 года, снятая с борта МКС (справа) Фото: NASA
Электрические разряды уже не представляются нам в виде разветвленных линейных вспышек. Молнии выглядят из космоса мощными точками световых взрывов. Один из самых запоминающихся снимков показывает утреннюю грозу в районе Большого Лос-Анджелеса. В это время огни города сияют между облаками как оранжевая лава, а центр урагана представляет собой яркое блестящие пятно между плотными, темными горами облаков.
Побережье Западной Африки во время грозы Фото: NASA
Есть много проблем, связанных с проживанием на Международной космической станции. То, что легко сделать на Земле, где есть сила тяжести, может вызывать затруднения в космическом пространстве. Для космонавтов, живущих в условиях МКС на протяжении более десяти лет, разработали несколько трюков, которые делают эти повседневные задачи проще.
Бортинженер Карен Найберг показывает, как она моет и полощет волосы в условиях низкой гравитации на борту Международной космической станции Фото NASA
Карен Найберг находится на МКС в качестве борт-инженера уже шесть месяцев. Она — единственная женщина среди пятерых мужчин. У женщины-астронавта нет никаких проблем с ежедневным уходом за телом и даже с мытьём головы, которая происходит, конечно же не привычным способом, а с помощью определённых приспособлений. Она недавно сняла трёхминутное видео, как это происходит без воды и земной гравитации, пишет bz-berlin.de .
Источник
Грозы опаснее, чем можно себе представить: молнии генерируют антиматерию
13-01-2011, 15:34 | Необычные явления / Гипотезы и исследования | разместил: VP | комментариев: (0) | просмотров: (8 177)
Потоки античастиц, появляющиеся во время гроз, фиксирует орбитальный гамма-телескоп Ферми, запущенный НАСА
— Все земные грозы источники антиматерии? Да. Хотя и кажется фантастикой. Пусть даже научной, — комментирует открытие своих коллег Стивен Камер (Steven Cummer) из Университета Дюка. – Наша планета излучает антивещество. А мы только сейчас узнаем об этом…
На самом деле, о сверхъестественных процессах — всплесках гамма-излучения земного происхождения (Terristial Gamma Flash — TGF) было известно еще с 2009 года. Тогда их впервые и зафиксировал телескоп Ферми. Теперь же стало ясно, что излучение было вызвано аннигиляцией антиматерии, порожденной молнией. О чем сообщили Майкл С. Бриггс (Michael S. Briggs) из Университета Алабамы (University of Alabama) и его коллеги на недавнем собрании Американского астрономического общества (American Astronomical Society meeting in Seattle).
|
Суть явления такова: молнии рождают позитроны — эдакие «антиэлектроны». Они взаимодействуют с электронами окружающей среды и аннигилируют, выделяя энергию. Возникает гамма-вспышка – короткий выброс гамма-излучения.
Хорошо, что грозовые облака выбрасывают позитроны вверх — то есть, в сторону от поверхности Земли. А если бы вниз? Мы бы во время каждой грозы попадали словно бы в рентгеновский кабинет.
Хотя… Часть излучения, порожденного аннигиляцией, возможно, доходит до поверхности Земли. И способствует появлению загадочного феномена: после удара молнии на коже людей иной раз «проявляются» картинки — деревья, листочки, целые пейзажи. Их словно бы что-то спроецировало. Возможно рентгеновское излучение.
|
Пока в открытии земного природного источника антивещества никакой практической пользы нет. Но со временем она может появиться. Вдруг ученые разработают дешевый способ получения антиматерии? Из молний. Это открыло бы доступ к самому лучшему во Вселенной источнику энергии. А он бы открыл дорогу к звездам. Антивещество в качестве горючего позволило бы добраться до иных миров.
О небывалом прорыве в способах манипулирования с антивеществом, по сути о том, как сбылась мечта Дэна Брауна, изложенная 10 лет назад в романе «Ангелы и демоны», читайте Физики получили и удержали в ловушке антиматерию (http://www.kp.ru/daily/24593.4/761647/)
Земные молнии рождают антиматерию
Наша планета способна сама рождать частицы антиматерии. Выяснить это помог гамма-телескоп Fermi, когда пытался с околоземной орбиты наблюдать за далекой вселенной.
Орбитальный гамма-телескоп GLAST (англ. Gamma-ray Large Area Space Telescope, «космический гамма-телескоп большой площади») во время наблюдений за космосом сделал вполне земное открытие.
Два с половиной года назад американцы вывели в космос обсерваторию для наблюдения самых энергичных фотонов Вселенной – гамма-квантов. После старта телескоп GLAST получил имя итальянско-американского физика Энрико Ферми. Основная цель миссии — сбор данных о процессах и объектах, в которых выделяется набольшее количество энергии. К таким объектам, в первую очередь, относятся сверхмассивные черные дыры, интенсивно пожирающие окружающее вещество в центрах галактик.
Гамма-грозы
Однако рождаться гамма-лучи могут не только во вселенских катаклизмах, но и в обыкновенных грозах, причем рождаться одновременно с антиматерией. Ученым известно, что грозы иногда сопровождаются так называемыми земными гамма-вспышками (англ. Terrestrial gamma-ray flash, TGF). Такие вспышки возникают на Земле примерно 500 раз в день. Много это или мало, сказать сложно. Известно лишь, что не каждая гроза рождает гамма-вспышку, ведь каждую секунду на планете бушует около двух тысяч гроз.
В первые 8 месяцев работы телескоп Fermi зарегистрировал 130 вспышек TGF. В большинстве случаев обсерватория оказывалась примерно над грозой, гамма-излучение от которой он регистрировал.
Однако 14 декабря 2009 года члены миссии Fermi наблюдали странное явление. Пролетая над Египтом, приборы телескопа зафиксировали вспышку, возникшую в тысячах километров за горизонтом – в Замбии. Несколько раз пронаблюдав подобные явления, феномен смогли объяснить ученые из университета Алабамы под руководством Майкла Бриггса. «Хотя Fermi и не видит бурю, он все-таки связан с ней магнитными линиями. Вспышка TGF рождает высокоэнергичные электроны и позитроны, которые седлают магнитные линии и ударяют по спутнику», — пояснил соавтор исследования Джозеф Дуайер.
Антиматерия из-за горизонта
Ученые показали, что сложный процесс начинается благодаря сильному электрическому полю, возникающему между слоями атмосферы при грозе. Сначала это поле ускоряет электроны до околосветовых скоростей. Сталкиваясь с атомами в атмосфере, электроны порождают энергичные фотоны — гамма-кванты. Обычно эти кванты и регистрируются как вспышки TGF. Однако изредка такие фотоны сами встречают на своем пути ядра атомов, в электрическом поле которых превращаются в пару частиц. Одна из них – отрицательно заряженный электрон, вторая – представитель антиматерии, положительно заряженный позитрон.
Источник
➤ Adblockdetector