علوم الغلاف الجوي – الإشعاع القاتل الصادر من السحب / جوزيف ر. دواير وديفيد م. سميث

تبعث العواصف الرعدية رشقات نارية مكثفة من أشعة جاما والأشعة السينية وتطلق حزمًا من الجسيمات، وحتى المادة المضادة، إلى الفضاء الخارجي. الجو مكان أغرب مما كنا نظن 

بعد أن أطلق مكوك الفضاء أتلانتس تلسكوبًا فضائيًا جديدًا إلى المدار في عام 1991، أدرك جيرالد فيشمان من مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا أن شيئًا غريبًا للغاية كان يحدث. كما بدأ تلسكوب كومبتون لأشعة جاما (CGRO)، الذي تم بناؤه لكشف أشعة جاما القادمة من الأجسام الفيزيائية الفلكية البعيدة مثل النجوم النيوترونية وبقايا المستعرات الأعظم، في تسجيل انفجارات ساطعة من أشعة جاما، والتي استمرت عدة ميلي ثانية ولم تأتي من الفضاء الخارجي. ولكن من الأرض أدناه.

كان علماء الفيزياء الفلكية يعلمون بالفعل أن الظواهر الغريبة، مثل التوهجات الشمسية، والثقوب السوداء، والنجوم المتفجرة، تعمل على تسريع الإلكترونات والجسيمات الأخرى إلى طاقات عالية للغاية، وأن هذه الجسيمات السريعة الشحنة يمكن أن تبعث أشعة غاما: الفوتونات الأعلى طاقة في الطبيعة. ومع ذلك، في الأحداث الفيزيائية الفلكية، تتسارع الجسيمات أثناء تحركها في حركة شبه حرة في الفضاء، والتي يمكن اعتبارها لهذا الغرض بمثابة فراغ. فكيف إذن يمكن للجسيمات الموجودة في الغلاف الجوي للأرض، والتي لا تقترب بأي حال من الأحوال من الفراغ، أن تتحرك بنفس الطريقة؟

في البداية، قادتنا البيانات الأولية، وكذلك خبراء آخرين إلى جانبنا، إلى الاعتقاد بأن "ومضات أشعة جاما الأرضية" تلك تأتي من ارتفاع 65 كيلومترًا فوق السحب، ولكن الآن يمكننا تحديد أنها تنشأ على ارتفاع أقل بكثير. الارتفاع عن طريق التفريغ الكهربائي داخل السحب العاصفة العادية. وفي الوقت نفسه، كانت النظريات المتطورة بشكل متزايد والتي تم صياغتها لتفسير أشعة جاما الشاذة هذه تكافح من أجل مواكبة الملاحظات: مرارًا وتكرارًا، اكتشفت التجارب طاقات كان يُعتقد في السابق أن وجودها في الغلاف الجوي مستحيل. حتى المادة المضادة ظهرت في زيارة مفاجئة.
وبعد مرور واحد وعشرين عامًا، أصبح لدى الباحثين فكرة جيدة عما يمكن أن يؤدي إلى انفجارات أشعة جاما الأرضية هذه، على الرغم من أن الشكوك لا تزال قائمة. وقد تزايدت الحاجة الملحة إلى حل هذا اللغز المذهل، نظرا لعواقبه المحتملة على الصحة العامة: إذا مرت طائرة بالقرب من مصادر الومضات، فإن إشعاع غاما المنبعث يمكن أن يعرض الركاب بداخلها للخطر.

عصفورين بحجر واحد؟

في البداية، تساءل العلماء عما إذا كانت أشعة جاما قد تكون مرتبطة بنوع مختلف من العجائب الجوية التي تم اكتشافها قبل بضع سنوات فقط. والتقطت الكاميرات التي كانت عدساتها موجهة نحو المناطق الواقعة فوق السحب العاصفة ومضات قصيرة ومشرقة من الضوء الأحمر، على ارتفاع 80 كيلومترا فوق سطح الأرض وعرضها عدة كيلومترات، وكانت تلك الومضات تبدو وكأنها قناديل البحر العملاقة. تُعطى هذه التفريغات الكهربائية الرائعة الاسم الخيالي "العفاريت". يظهر الجان تقريبًا على حافة الفضاء، لذلك يبدو من المعقول أنهم قد يطلقون أشعة جاما يمكن التقاطها بواسطة مركبة فضائية في مدار حول الأرض.

وسرعان ما جاءت المحاولات الأولى لعلماء الفيزياء النظرية لشرح كيف يمكن للعفاريت أن تنتج أشعة جاما عند حدود الفضاء. وفقًا للحكمة التقليدية، فإن العفاريت هي آثار جانبية للبرق العادي الذي يحدث في السحب في مكان ما بالأسفل. البرق عبارة عن قناة موصلة للكهرباء تنفتح لفترة قصيرة في الهواء، وتعتبر في الظروف العادية معزولة كهربائيًا. وتقوم ضربة البرق بنقل الإلكترونات من منطقة من الغلاف الجوي إلى منطقة أخرى، أو من الغلاف الجوي إلى الأرض. يحدث البرق بسبب خلل في الشحنات الكهربائية الساكنة وينجم عن المجالات الكهربائية الناتجة. قد يتجاوز فرق الجهد بين المجالات 100 مليون فولت.

يستعيد التدفق الهائج للإلكترونات التوازن الكهروستاتيكي جزئيًا. ومع ذلك، مثلما يؤدي التربيت على نتوء في السجادة لتنعيمه غالبًا إلى ظهور نتوء آخر في مكان آخر، كذلك يؤدي التفريغ الكهربائي في السحابة غالبًا إلى ظهور حقل في مكان آخر، بما في ذلك على الأرض، حيث قد يؤدي لاحقًا إلى حدوث البرق لأعلى، أو بالقرب من الجزء السفلي من الغلاف الأيوني وهناك قد يتشكل قزم.

في عام 1992، حسب ألكسندر جورفيتش من معهد ليبيديف للفيزياء في موسكو وزملاؤه أن مثل هذه المجالات الكهربائية الثانوية بالقرب من الغلاف الأيوني يمكن أن تسبب سيولًا ثلجية من الإلكترونات النشطة، والتي، بعد الاصطدام بالذرات، ستطلق فوتونات عالية الطاقة: X- والأشعة الأكثر حيوية وأشعة جاما، بالإضافة إلى التوهج الأحمر المميز للجان. والآلية التي اقترحوها مستمدة من اقتراح قدمه العالم الاسكتلندي الحائز على جائزة نوبل سي تي آر ويلسون في عشرينيات القرن الماضي. عند الطاقات المنخفضة، تتصرف الإلكترونات التي يطردها المجال الكهربائي مثل الأملاح المخمورة، حيث تقفز من جزيء إلى جزيء وتفقد طاقتها مع كل تصادم. ومع ذلك، عند الطاقات العالية، تتحرك الإلكترونات في خط مستقيم، وبالتالي تمتص المزيد والمزيد من الطاقة من المجال الكهربائي، وبالتالي فإن أي تصادم يحدث سيكون له تأثير أقل على تعطيل مسارها، وهكذا في عملية تشتد نفسها. تختلف هذه العملية التدريجية عن العملية التي اعتدنا عليها من تجربتنا اليومية، حيث كلما تحركنا بشكل أسرع، كلما شعرنا بقوة السحب أقوى، كما يمكن أن يشهد أي راكب دراجة.

من الممكن تمامًا أن تتسارع هذه الإلكترونات "المتسابقة" تقريبًا إلى سرعة الضوء وتسافر لأميال حتى تتوقف، بدلاً من الأمتار القليلة التي قد يسافرها الإلكترون عادةً عند تحركه عبر الهواء. وخلص فريق جورفيتش إلى أنه عندما يصطدم إلكترون متسارع أخيرًا بجزيء غاز في الهواء، فسيكون قادرًا على إطلاق إلكترون آخر من هناك، ويمكن لهذا الإلكترون الجديد أن يبدأ في السرعة. وستكون النتيجة مشابهة للتفاعل المتسلسل: سيل من الإلكترونات عالية الطاقة، والتي تتزايد بشكل كبير مع المسافة، ويمكن أن تمتد على طول المجال الكهربائي بأكمله. إن تأثير الانهيار الجليدي، حسب حسابات جورفيتش وزملائه، يمكن أن يزيد من إنتاج الأشعة السينية وأشعة جاما بعدة مراتب. لفترة من الزمن، بدت هذه الصورة جذابة للغاية، لأنها جمعت بين ظاهرتين جويتين: ومضات أشعة جاما والعفاريت. وكما سنرى لاحقاً، فقد تبين أن الواقع أكثر تعقيداً بكثير.

براءة الجان

على مدار عدة سنوات، بدءًا من عام 1996 فصاعدًا، تم تطوير المزيد والمزيد من الإصدارات المصقولة للنظرية، والتي صممت جميعها العفاريت على أنها مظهر من مظاهر الانهيارات الإلكترونية الراكضة التي تنتج أشعة جاما. أحد الأدلة التي تدعم نموذج القزم هو طيف الطاقة لأشعة جاما. تنتقل أشعة جاما ذات الطاقات الأعلى مسافة أكبر في الهواء من الأشعة ذات الطاقات الأقل، لذلك من المرجح أن تنجح في الوصول إلى الفضاء. ومن خلال حساب عدد فوتونات إشعاع جاما التي وصلت إلى المركبة الفضائية في كل مستوى من مستويات الطاقة، يمكن للعلماء استنتاج الغرفة التي كانت المصدر الذي أنتجتها. أظهرت الاختبارات الأولى لطاقات أشعة جاما التي رصدتها CGRO مصدرًا عاليًا جدًا للروم، يتوافق مع الروم القزم.

ثم، في عام 2003، حدث منعطف غير متوقع. أثناء العمل في منشأة أبحاث البرق في فلوريدا وقياس انبعاثات الأشعة السينية التي وصلت إلى الأرض من البرق الناتج عن إطلاق صاروخ، اكتشف أحدنا (دواير) وزملاؤه انفجارًا ساطعًا للغاية من أشعة جاما المنبعثة من سحابة العاصفة فوقهم وغسلت سطح الأرض من حولنا [انظر: "ضربة البرق" بقلم جوزيف دواير، مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل، أغسطس - سبتمبر 2005]. بدا هذا الانفجار بالنسبة لأجهزتنا مثل انفجارات أشعة جاما الأرضية التي اعتقد الجميع أن لها أصلًا أعلى بكثير: كانت للأشعة نفس الطاقات واستمرت في نفس المقدار من الوقت، حوالي 0.3 مللي ثانية. في ذلك الوقت، افترض الجميع أن الومضات جاءت من أماكن مرتفعة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها على الأرض. يشير التشابه بين الومضات إلى أن ضربات البرق داخل السحب العاصفة قد تكون المصدر المباشر لأشعة جاما التي وصلت إلى CGRO، ولكن في الوقت نفسه بدت الفكرة مجنونة بعض الشيء: يجب أن يكون الوميض ساطعًا بشكل مدهش حتى يتمكن من إرسال ما يكفي من أشعة جاما إلى الفضاء عبر الغلاف الجوي بأكمله.

ولكن سرعان ما حدثت تطورات أخرى قطعت العلاقة الواضحة بين الجان وأشعة جاما. في عام 2002، أطلقت وكالة ناسا مرفق التصوير الطيفي للطاقة الشمسية عالي الطاقة والذي سُمي باسم رؤوفين راماتي، أو RHESSI باختصار، لدراسة الأشعة السينية وأشعة جاما القادمة من الشمس. لكن كاشفات الجرمانيوم الكبيرة الخاصة بشركة RHESSI كانت أيضًا مناسبة بشكل مثير للإعجاب لقياس أشعة جاما القادمة من الغلاف الجوي، على الرغم من أنه كان عليها أيضًا المرور عبر الجزء الخلفي من المركبة الفضائية عندما كان المرصد نفسه موجهًا نحو الشمس. كان أحدنا (سميث)، عالم فيزياء فلكية وباحث في فيزياء الطاقة الشمسية، عضوًا في فريق أجهزة RHESSI وقام بتوظيف ليليانا لوبيز، التي كانت حينها طالبة أبحاث في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، لمسح التدفق المستمر لبيانات RHESSI، والذي امتد لعدة سنوات. ، لدليل وجود الأشعة السينية جاما من الأسفل. في ذلك الوقت، كانت انفجارات أشعة جاما الأرضية تعتبر نادرة جدًا. وبدلاً من ذلك، عثر لوبيز على ذاكرة تخزين مؤقت: اكتشف RHESSI وميضًا كل بضعة أيام، وهو معدل أسرع بنحو 10 مرات من معدل اكتشاف CGRO.

كانت قياسات طاقات فوتونات أشعة جاما في كل وميض بواسطة RHESSI أفضل بكثير من أي قياس تم إجراؤه بواسطة CGRO على الإطلاق. يبدو طيفها تمامًا مثل ما تتوقعه من الطيف الناتج عن سباق الإلكترونات. لكن عندما قارنا النتائج بعمليات المحاكاة التي أجريناها، استنتجنا أن أشعة جاما مرت عبر قدر كبير من الهواء، وبالتالي يجب أن يكون مصدرها برومًا يتحرك حوالي 15 إلى 20 كيلومترًا: بروم نموذجي للقمم من العواصف الرعدية، ولكنها أقل بكثير من الـ 80 كيلومترًا التي يعيش فيها الجان.

وسرعان ما تراكمت أدلة مستقلة إضافية لصالح مصدر منخفض لأشعة جاما، وضد الاتصال القزم. أجرى ستيفن كامير من جامعة ديوك قياسات راديوية لبعض البرق المرتبط بأحداث RHESSI، وأظهر أن ومضات البرق هذه كانت أضعف بكثير من اللازم لإنشاء العفاريت. علاوة على ذلك، فإن خريطة RHESSI لمضات أشعة جاما في جميع أنحاء العالم تبدو مشابهة جدًا لخريطة البرق العادي، الذي يتركز في المناطق الاستوائية، ومختلفة تمامًا عن خريطة العفاريت التي تتراكم أحيانًا في خطوط العرض العليا، مثل السهول الكبرى في الولايات المتحدة الأمريكية.

ومع ذلك، لا تزال هناك حجة واحدة لصالح الأقزام كمصدر: يبدو أن طيف الطاقة الناتج عن أحداث CGRO يشير إلى مصادر عالية من البروم، وهو ما يناسب الأقزام أكثر من العواصف الرعدية. لقد أصبح الكثير منا يعتقد أنه قد يكون هناك نوعان من انفجارات أشعة جاما: رم منخفض ورم مرتفع. لكن الضربة القاضية لفكرة القزم جاءت عندما أدركنا أن ومضات أشعة جاما الأرضية أكثر سطوعًا مما كنا نعتقد سابقًا. في الواقع، أثناء العمل في عام 2008 مع الطالب براين جريفنشتات، الذي كان حينها أحد الباحثين، توصلنا إلى أنهم كانوا أذكياء للغاية لدرجة أن CGRO أعمى جزئيًا بسببهم ولم يتمكنوا من قياس شدتهم الكاملة. (التشبع أثر أيضًا على RHESSI، بدرجة أقل). عندما قام الباحثون في جامعة بيرغن في النرويج بتحليل البيانات في عام 2010، اكتشفوا أنه إذا أخذنا في الاعتبار الأجهزة التي تصل إلى التشبع، فإن النتائج ستكون متسقة مع مصادر من مصادر أقل تشبعًا. الارتفاعات.
ولذلك، ففي أقل من عامين، انخفض نصف القطر المقدر لمكان تشكل ومضات أشعة جاما بأكثر من 50 كيلومترًا. من النادر أن نرى تحولًا نموذجيًا في العلوم يحدث بهذه السرعة. وهذا التغيير مثير للسخرية، لأنه عندما بدأنا في هذا المجال من البحث قبل عشر سنوات، كان الجان هو المثال الساطع الوحيد لكيفية توليد الإشعاع النشط في غلافنا الجوي. الآن، بعد مرور 10 سنوات، يبدو أن أي شيء تقريبًا - العواصف الرعدية، وأنواع مختلفة من البرق، والشرر الناتج في المختبر - يمكن أن ينتج إشعاعًا عالي الطاقة يمكن اكتشافه، ولكن يبدو أن الجان لا يستطيعون ذلك. من المقبول عمومًا اليوم أن الطاقة المنخفضة لإشعاع القزم تملي أنهم ليسوا مسؤولين عن ومضات أشعة جاما بعد كل شيء.

أعطونا المادة المضادة
حسنًا، إذا لم يُنشئ الجان ومضات من أشعة جاما، فماذا يفعل؟ وهل لا تزال العملية تنطوي على انهيارات ثلجية من الإلكترونات المندفعة؟ اتضح أن آلية الانهيار الجليدي وفقًا لنموذج جورفيتش وزملائه، على الرغم من أنها نشطة للغاية بحيث لا يمكن ربطها بالأقزام، ليست قوية بما يكفي لخلق السطوع الهائل الذي لاحظته RHESSI والذي نتج عن إعادة تحليل بيانات CGRO . ومع ذلك، أظهرت الحسابات التي أجراها دواير أن النسخة المحسنة من آلية الانهيار الإلكتروني يمكن أن تطلق طاقة بمعدل عدة آلاف مليار مرة أكبر من التوقعات التي تم تقديمها في الماضي، وأنه يمكن أن يحدث داخل سحابة عاصفة. ومن المثير للدهشة أن مثل هذه الآلية ستتضمن أيضًا إنتاج وفرة من المادة المضادة.

إذا كان المجال الكهربائي داخل سحابة عاصفة قويًا بدرجة كافية، فإن الإلكترونات المتسابقة، على افتراض أنها تم إنشاؤها بطريقة ما، سوف تتسارع تقريبًا إلى سرعة الضوء، وعندما تصطدم بالنوى الذرية في جزيئات الهواء، فإنها ستكون قادرة على انبعاث أشعة غاما. وستكون فوتونات أشعة جاما بدورها قادرة على التفاعل مع النوى الذرية وتكوين أزواج من الجسيمات: الإلكترونات وتوأمها من المادة المضادة، البوزيترونات. ستبدأ البوزيترونات أيضًا في التسابق وتراكم الطاقة من المجال الكهربائي. لكن بينما ستتحرك الإلكترونات للأعلى في المجال، فإن البوزيترونات، التي تكون شحنتها الكهربائية معاكسة، ستتحرك للأسفل. عندما تصل البوزيترونات إلى قاع المجال الكهربائي، فإنها ستصطدم بذرات الهواء وتطلق إلكترونات جديدة ستبدأ مرة أخرى بالتسارع نحو الأعلى.

وبالتالي، فإن الإلكترونات التي تتحرك لأعلى ستنتج بوزيترونات تتحرك لأسفل، والتي بدورها ستنتج المزيد من الإلكترونات تتحرك لأعلى، وهكذا. عندما يؤدي أحد الانهيارات الجليدية إلى حدوث انهيارات جليدية جديدة، تنتشر التصريفات بسرعة على مساحة كبيرة من السحابة العاصفة، يصل عرضها إلى عدة كيلومترات. الأرقام التي تنبأ بها هذا النموذج، والمعروفة باسم نموذج تفريغ التغذية النسبية، تطابقت تمامًا مع كثافة أشعة جاما ومدتها وطيف الطاقة كما لاحظها CGRO وRHESSI.

إن ردود الفعل الناتجة عن البوزيترونات تشبه الصراخ المزعج الذي تسمعه عندما تحمل ميكروفونًا بجوار مكبر الصوت. بالطبع، إذا أردنا إصدار صوت عالٍ، يمكننا أيضًا الصراخ في الميكروفون. هذا هو المنطق وراء تفسير آخر محتمل، على الرغم من أنه لم يتم حله بشكل كامل رياضيًا: انفجارات أشعة جاما هي نسخ أكثر نشاطًا من انفجارات الأشعة السينية المنبعثة من البرق عندما يقترب من الأرض. لعدة سنوات، قام الباحثون في معهد فلوريدا للتكنولوجيا، وجامعة فلوريدا، ومعهد نيو مكسيكو للتعدين والتكنولوجيا بقياس هذه الأشعة السينية، المنبعثة من البرق الذي تم إنشاؤه بشكل مصطنع بواسطة الصواريخ والبرق الطبيعي الذي يضرب الأرض. وتظهر "مقاطع فيديو" الأشعة السينية التي التقطتها كاميرا الأشعة السينية عالية السرعة في فلوريدا، أن الدفقات تنشأ في نهاية قناة البرق، أثناء تحركها من السحابة نحو الأرض. يعتقد معظم العلماء أن الأشعة السينية تنشأ عن تسارع الإلكترونات بواسطة مجالات كهربائية قوية أمام البرق. من الممكن، لأسباب لم يتم حلها بعد، أن يكون البرق الذي يتحرك عبر المجال الكهربائي داخل سحابة عاصفة قادرًا على إنشاء تلك الإلكترونات المتسابقة بنجاح أكبر. إذا كانت هذه الفكرة صحيحة، فمن الممكن أن الومضات التي رصدتها المركبات الفضائية من على بعد مئات الكيلومترات ليست أكثر من نسخة من الأشعة السينية، مضخمة بآلية غير معروفة حتى الآن، ينتجها البرق ويتم رصدها بواسطة أجهزة الكشف الموضوعة على الأرض. سطح الأرض على بعد بضع مئات من الأمتار فقط من البرق.

دونما سابق إنذار، على حين غرة، فجأة
وفي نهاية عام 2005، كنا مقتنعين بالفعل بأن معظم انفجارات أشعة جاما الأرضية تنشأ من السحب العاصفة أو بالقرب من قممها، بغض النظر عما إذا كانت المادة المضادة أو البرق المعزز متضمنة أيضًا. ولكن قبل أن نتمكن من الارتياح الشديد لهذا النموذج الجديد، بدا أن فهمنا قد اهتز مرة أخرى: فقد وقع أحد الأحداث التي التقطتها RHESSI في وسط الصحراء الكبرى، في يوم مشمس دون ظهور أي غيوم عاصفة في الأفق.

جنبًا إلى جنب مع طلابنا الباحثين، أمضينا أشهرًا في النضال من أجل كسر هذا الجوز. اتضح أن السحب العاصفة تشكلت في ذلك اليوم، ولكن ليس في المكان الذي كانت تنظر إليه المركبة الفضائية. ووقعت العواصف على بعد عدة آلاف من الكيلومترات إلى الجنوب، بعيدًا عن الأفق بالنسبة إلى ريسي. ولم تتمكن أشعة جاما، التي تتحرك في خط مستقيم، مثل جميع أشكال الضوء، من الوصول إلى المركبة الفضائية.

لكن الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات على سبيل المثال، تتحرك بشكل طبيعي في مدارات حلزونية ضيقة حول الخطوط المنحنية للمجال المغناطيسي للأرض. حدثت العواصف بالضبط عند الطرف الآخر من خط المجال المغناطيسي الذي يمر عبر المركبة الفضائية. الإلكترونات التي وصلت إلى عدد دورات مرتفع جدًا في الدقيقة دارت حول الكوكب واصطدمت بكاشفات RHESSI، مما أدى إلى إنشاء أشعة غاما في هذه العملية. ومع ذلك، لا يبدو من الممكن أن الإلكترونات المنطلقة داخل سحابة عاصفة يمكن أن تمر عبر أميال وأميال من الغلاف الجوي وتصل إلى الفضاء حيث يمكنها القيام برحلة حول خطوط المجال. مرة أخرى، يبدو أن الملاحظة الجديدة تتطلب مصدرًا عالي البروم.

علاوة على ذلك، في عام 2011، رصد تلسكوب فيرمي لأشعة غاما الفضائي بعضًا من هذه الأشعة المحيطة وقام باكتشاف مثير: نسبة كبيرة من الأشعة تتكون من البوزيترونات. لذلك يبدو أن الظواهر الجوية يمكنها أيضًا قذف جسيمات المادة المضادة إلى الفضاء، وليس فقط الإلكترونات وأشعة جاما. إذا نظرنا إلى الوراء يمكننا القول أن ظهور هذه البوزيترونات كان ينبغي أن يكون متوقعًا، نظرًا للطاقة العالية لأشعة جاما. ومع ذلك، ونظرًا لأن المادة المضادة في الطبيعة تعتبر ظاهرة غير عادية، فإن اكتشاف تلسكوب فيرمي كان رائعًا.

وسرعان ما أدرك فريقنا أنه من أجل تفسير اكتشاف الصحراء الكبرى، ليس من الضروري افتراض أن أشعة جاما تأتي من ارتفاع عالٍ، بل أنها تكونت داخل السحب العاصفة بكميات أكثر وفرة مما كنا نعتقد أنه ممكن على الإطلاق. وتوجه عدد قليل منها إلى الفضاء، واصطدمت بجزيء هواء شارد على ارتفاع حوالي 40 كيلومترًا، وتشكلت أزواج إلكترون-بوزيترون ثانوية ارتبطت بخطوط المجال المغناطيسي المحيطة بالأرض. في المرة القادمة التي ترى فيها سحابة عاصفة شاهقة في السماء، توقف للحظة واعتبر أنها قادرة على إطلاق جسيمات عالية الطاقة إلى الفضاء، وأنها قد تظهر على الجانب الآخر من الأرض.

استثناءات جديدة
لم يكن ظهور البوزيترونات هو دهشتنا الأخيرة. في وقت لاحق من عام 2011، اكتشف مرصد AGILE التابع لوكالة الفضاء الإيطالية أن طيف الطاقة لانفجارات أشعة جاما الأرضية يصل إلى 100 ميجا إلكترون فولت، وهي قيمة لا تصدق حتى لو جاءت من توهج شمسي. إذا كانت هذه الملاحظات صحيحة، فإنها تلقي بظلال من الشك على نماذجنا، حيث يبدو من غير المحتمل أن تتمكن آلية العدو من توليد مثل هذه الطاقات من تلقاء نفسها. في الواقع، ليس من الواضح على الإطلاق ما الذي يمكن أن يسرع الإلكترونات إلى هذه الطاقات داخل السحب العاصفة. في هذه المرحلة نحتاج إلى المزيد من الملاحظات للمساعدة في تحديد النظرية. ومن حسن الحظ أن فرقًا من الولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد الأوروبي وروسيا بدأت الآن في إطلاق أولى المهمات الفضائية المصممة لاكتشاف أشعة جاما الأرضية.

وفي هذه الأثناء، ومن أجل الاقتراب من جوهر الموضوع، قمنا مع زملائنا ببناء جهاز يمكن حمله على متن طائرة ومصمم لقياس أشعة جاما الصادرة من السحب العاصفة. الخوف من المخاطر المرتبطة بالتعرض لأشعة جاما يمنعنا من الطيران مباشرة إلى العاصفة. ولكن في رحلة تجريبية مبكرة شارك فيها دواير، اتخذت الطائرة بالخطأ منعطفًا خاطئًا. وسرعان ما أفسح الشعور بالخوف المجال للابتهاج عندما أضاءت أجهزة الكشف الخاصة بنا فجأة. وأظهر التحليل اللاحق أن المنطقة التي طارت فيها الطائرة تسارعت فيها الإلكترونات من النوع الذي توقعنا أن ينتج عنه انفجارات أشعة جاما. ولحسن الحظ، ظل الانبعاث عند مستوى منخفض ولم يحدث أي حدث انفجاري يمكن رؤيته من الفضاء. وبمساعدة هذه الرحلات اكتشفنا أن العواصف الرعدية العادية تصدر في معظم الأوقات وهجًا مستمرًا وغير ضار نسبيًا من أشعة جاما.

ومع ذلك، أظهرت الحسابات الأولية أنه إذا تعرضت طائرة ركاب لضربة مباشرة بأشعة جاما والإلكترونات النشطة في عاصفة، فيمكن للركاب وأفراد الطاقم، دون أن يدركوا ذلك، أن يمتصوا جرعة من الإشعاع خلال جزء من الثانية. والتي قد تصل إلى الكمية التي يتم امتصاصها عادة طوال العمر. النقطة المضيئة هي أننا لا نحتاج إلى تحذير الطيارين للابتعاد عن العواصف الرعدية، لأنهم يفعلون ذلك على أي حال؛ تعتبر العواصف الرعدية مكانًا خطيرًا للغاية، سواء كانت بها أشعة جاما أو بدونها.
وبطريقة ما، فإن دراسة ومضات أشعة جاما الأرضية تكمل عمل بنجامين فرانكلين، الذي تعمد إطلاق طائرة ورقية داخل عاصفة رعدية ليرى ما إذا كانت قادرة على توصيل الكهرباء، وبالتالي أظهر أن البرق كان تفريغًا كهربائيًا. ومن المثير للدهشة أنه بعد مرور 250 عامًا على تجربته للطائرة الورقية، لا يزال العلماء لا يفهمون تمامًا، ليس فقط كيف تنتج العواصف الرعدية ومضات أشعة جاما، ولكن حتى كيف تنتج البرق البسيط. لقد أمضينا الكثير من حياتنا المهنية في دراسة الأجسام الغريبة البعيدة عن النظام الشمسي، لكن إغراء هذا البحث أعادنا إلى الأرض. ربما حتى فرانكلين نفسه لم يكن لديه أي فكرة عن أن العواصف الرعدية يمكن أن تكون مثيرة للاهتمام إلى هذا الحد.

عن المؤلفين
جوزيف آر دواير (دواير) عالم فيزياء فلكية أصبح مهتمًا بالبرق بعد انتقاله إلى وسط فلوريدا، عاصمة البرق في الولايات المتحدة الأمريكية. يعمل أستاذاً في معهد فلوريدا للتكنولوجيا.
ديفيد إم سميث هو أستاذ مشارك في الفيزياء في جامعة كاليفورنيا، سانتا كروز. يدرس البرق وأحزمة إشعاع الأرض والتوهجات الشمسية. كما يقوم أيضًا بإجراء ملاحظات بحثية على الأشعة السينية وأشعة جاما المنبعثة من الثقوب السوداء.
باختصار
تبعث السحب العاصفة أشعة جاما في دفعات قوية تدوم لبضعة ميلي ثانية، تسمى ومضات أشعة جاما الأرضية، والتي تم اكتشافها لأول مرة بواسطة مراقبين من الفضاء.
يمكن لهذه الومضات أيضًا إنشاء حزم من الإلكترونات وحتى حزم من المادة المضادة قادرة على السفر لنصف محيط الأرض.
وتشمل جميع التفسيرات المقترحة لهذه الظاهرة مجالات كهربائية قوية تطلق سيلا من الإلكترونات داخل السحب، لكن لا يقدم أي منها تفسيرا كاملا للطاقات الهائلة لأشعة جاما.
وقد تحل مهمات فضائية جديدة مخصصة وطائرة بحثية جديدة اللغز، وتكشف أيضًا ما إذا كانت الومضات يمكن أن تعرض ركاب الطائرة لخطر التعرض للإشعاع.
التصريفات: وجهة نظر مقارنة
أشعة جاما ضد الجان
عندما بدأ مراقبو الفضاء في التقاط دفقات من أشعة جاما القادمة من الغلاف الجوي في التسعينيات، افترض الباحثون أنها نشأت من تفريغات عالية الطاقة تُعرف باسم العفاريت. ولكن تبين أن ومضات أشعة جاما الأرضية هذه كانت تنبثق من السحب العاصفة على ارتفاع أقل بكثير. كما أنها تنتج حزمًا ثانوية من الجسيمات، بما في ذلك المادة المضادة، التي يمكنها الهروب إلى الفضاء والتحليق حول الأرض متتبعة مجالها المغناطيسي.
والمزيد حول هذا الموضوع
اكتشاف ومضات أشعة جاما الشديدة ذات الأصل الجوي. جي جي فيشمان وآخرون. في العلوم، المجلد. 264، الصفحات 1313-1316؛ 27 مايو 1994.
الانهيار الجامح وأسرار البرق. ألكسندر ف. جورفيتش وكيريل ب. زيبين في الفيزياء اليوم، المجلد. 58، لا. 5، الصفحات 37-43؛ مايو 2005.
آليات مصدر ومضات أشعة جاما الأرضية. جي آر دواير في مجلة البحوث الجيوفيزيائية، المجلد. 113، لا. D10103; 20 مايو 2008.
أشعة الإلكترون-البوزيترون الناتجة عن البرق الأرضي المرصودة باستخدام Fermi GBM. مايكل س. بريجز وآخرون. في رسائل البحوث الجيوفيزيائية، المجلد. 38، لا. L02808؛ 20 يناير 2011.
شاهد الفيديو الذي يوضح كيف تنتج العواصف الرعدية رشقات من أشعة جاما، على الموقع الإلكتروني www.sciam.co.il