آذرخش چگونه پرتو گاما تولید می‌کند؟
1
آذرخش، نیرویی خارق‌العاده از دل طبیعت است که تنها در دهه‌های اخیر دانشمندان موفق شده‌اند ابزارهایی برای درک بهتر عملکرد آن توسعه دهند. در یکی از جدیدترین مطالعات، با استفاده از تحلیل چندحسگری، مشاهده شد که یک فوران پرتو گامای زمینی درست پیش از برخورد دو مسیر آذرخشی از دل یک ابر طوفانی بیرون جهید.
یواکی وادا، پژوهشگر ارشد از دانشگاه اوساکا، می‌گوید:
«توانایی مطالعه فرآیندهای شدیدی مانند فوران‌های پرتو گاما که از آذرخش نشأت می‌گیرند، به ما این امکان را می‌دهد تا درک بهتری از فرآیندهای پرانرژی در جو زمین داشته باشیم.»
پرتوهای گاما در زمین
پرتوهای گاما؛ فقط مختص فضا نیستند
پرتوهای گامای زمینی معمولاً به صورت فوران‌های گذرای بسیار کوتاه رخ می‌دهند. این پدیده‌ها به الکترون‌های پرانرژی‌ای نسبت داده شده‌اند که در میدان‌های الکتریکی بالای سطح زمین با سرعت زیاد حرکت می‌کنند.
اگرچه بیشتر منابع پرتو گاما در کیهان قرار دارند، اما اکنون دانشمندان دریافته‌اند که آذرخش می‌تواند فوتون‌هایی بسیار قدرتمند در آسمان خودمان ایجاد کند.
چگونه آذرخش پرتو گاما تولید می‌کند؟
درون طوفان‌ها، بارهای الکتریکی شدید می‌توانند الکترون‌هایی را با سرعتی نزدیک به نور شتاب دهند. این الکترون‌ها سپس پالس‌های کوتاه و پرقدرتی از پرتو گاما ساطع می‌کنند.
هاروفومی تسوچیا، نویسنده ارشد مقاله، می‌افزاید:
«هنوز برخی جنبه‌ها برای ما مبهم باقی مانده است، اما این فناوری ما را به درک بهتر این فوران‌های پرانرژی نزدیک کرده است.»
مشاهده نادر یک فوران گاما در پی آذرخش
پایش طوفان‌های زمستانی در ژاپن
در منطقه‌ای نزدیک کانازاوا در مرکز ژاپن، یک تیم تحقیقاتی از مجموعه‌ای متشکل از آشکارسازهای نوری، امواج رادیویی و پرتوهای پرانرژی برای پایش طوفان‌های زمستانی استفاده کردند.
برخورد دو مسیر آذرخش و تولید پرتو گاما
این آرایه، فورانی را ثبت کرد که مربوط به برخورد مسیر نزولی منفی از یک ابر طوفانی و مسیری صعودی از سطح زمین بود. مسیر صعودی مثبت، که از یک دکل پخش تلویزیونی آغاز شده بود، باعث فوران پرتو گامای نزولی شد.
افزایش شدید میدان الکتریکی
در لحظه‌ای که مسیرها به هم نزدیک شدند، میدان الکتریکی اطراف به شدت افزایش یافت. این برخورد، یک تخلیه‌ی شدید به قدرت 56- کیلوآمپر ایجاد کرد و انرژی انتقال یافته را تأیید نمود.
آذرخش و الکترون‌های شتاب‌گرفته
نقطه برخورد؛ کانون پرتوهای گاما
محققان مدت‌هاست گمان می‌برند که نقطه برخورد مسیرهای مثبت و منفی آذرخش می‌تواند منبع فوران‌های پرانرژی باشد. مشاهدات جدید نیز نشان داد که الکترون‌ها در این ناحیه، شتاب کافی برای تولید پرتوهای گاما را کسب می‌کنند.
ضرورت دقت بالای حسگرها
از آنجا که این فوران‌ها در کسری از ثانیه رخ می‌دهند، ثبت آن‌ها نیاز به حسگرهایی بسیار دقیق دارد. مطالعات زمینی در دهه ۱۹۹۰ نیز به چنین فوران‌هایی اشاره کرده بودند، اما ثبت مستقیم آن‌ها اکنون امکان‌پذیر شده است.
پرتوهای تاخیری ناشی از نوترون‌ها
پرتویی که پس از پایان فوران ادامه داشت
پژوهشگران متوجه سیگنالی ماندگار شدند که تا حدود ۸۰ میلی‌ثانیه پس از پایان فوران اصلی ادامه یافت. این سیگنال بیشتر توسط آشکارساز پلاستیکی بسیار حساس ثبت شده بود.
پرتوهای گاما ناشی از نوترون‌ها
این نور ضعیف ادامه‌دار احتمالاً نتیجه واکنش‌های فوتونوکلئار بود. در این فرآیند، فوتون‌های بسیار پرانرژی با اتم‌های جو برخورد کرده، نوترون‌هایی آزاد می‌کنند. این نوترون‌ها پس از کاهش سرعت، با اتم‌ها برخورد کرده و پرتوهای گامای بیشتری تولید می‌کنند.
جزئیات فنی رویداد
دقت زمانی خارق‌العاده
نخستین فوتون پرتو گاما، تنها ۳۱ میکروثانیه پیش از برخورد مسیرهای آذرخشی ثبت شد. کل فوران حدود ۲۰ میکروثانیه پس از برخورد پایان یافت.
سرعت مسیرهای مثبت و منفی
مسیر منفی نزولی: حدود ۱.۸ میلیون متر بر ثانیه (تقریباً ۴ میلیون مایل بر ساعت)
مسیر مثبت صعودی: کمی کندتر، اما هنوز با سرعتی خارق‌العاده
اهمیت این کشف چیست؟
خطرات برای زیرساخت‌ها
ساختمان‌هایی مانند دکل‌های پخش و نیروگاه‌ها ممکن است در معرض تخلیه‌هایی بسیار شدیدتر از آذرخش‌های عادی قرار بگیرند.
کاربردهای ایمنی و فنی
یافته‌های این پژوهش می‌تواند در طراحی مقاوم‌تر تأسیسات حساس و ارتقاء راهکارهای ارتینگ و حفاظت در برابر صاعقه کاربرد داشته باشد.
چشم‌انداز آینده برای پژوهش‌های آذرخشی
ردیابی بیشتر در شرایط گوناگون
پروژه‌های میدانی آینده در تلاشند تا موارد مشابه را در اقلیم‌های مختلف کشف کنند. همچنین، آشکارسازهای پیشرفته‌تری برای بررسی اینکه آیا این پدیده در طوفان‌های معمولی هم رخ می‌دهد یا فقط در شرایط خاص طراحی شده‌اند.
پیوند با پدیده‌های کیهانی
برخی دانشمندان حتی تلاش دارند فرآیندهای آذرخشی را با پدیده‌های عظیم کیهانی مقایسه کنند تا به درک جامع‌تری از ساختار جهان برسند.
نتیجه‌گیری: رازهای پنهان در دل آذرخش‌ها
این کشف شگفت‌انگیز نشان می‌دهد که تنها یک برخورد ساده بین بارهای الکتریکی در یک ابر می‌تواند انرژی‌هایی خارق‌العاده آزاد کند. این مطالعه یادآور آن است که حتی رایج‌ترین پدیده‌های طبیعی نیز می‌توانند اسراری حیرت‌انگیز در دل خود پنهان کرده باشند.
این مطالعه در نشریه Science Advances منتشر شده است.
