雷暴喷出伽马射线–这些科学家想知道为什么
在金泽岩mig冈高中的上方，研究人员Teruaki Enoto和Wuuki Wada用一台方形仪器摔跤，试图将其固定在屋顶上，狂风拂面。附近的风向标摆动不定，远处的山脉上空聚集着云朵，所有风暴的迹象都在朝着日本海的方向酝酿。这正是Wada和Enoto所希望的天气。他们正在安装的设备将在喷出γ辐射时监视雷暴，这是物理学家渴望理解的神秘过程。
作为宇宙中能量最高的电磁辐射，γ射线通常来自遥远的地方-来自黑洞，超新星和其他极端宇宙环境。它们通常是由以接近光速行进的电子浪涌产生的。但是在1980年代和1990年代，物理学家发现地球上的云还发出了不可见的γ射线：短而强烈的毫秒级爆发以及较弱而持久的辉光。不知何故，某些风暴会加速数十亿个电子，使其接近光速以产生这些γ射线。 “这是在地球大气层中如何发生的谜团，”日本ita玉县极端自然现象RIKEN Hakubi研究小组的物理学家Wada说。
这个问题使他在不断增长的风暴中陷入了困境。物理学家不仅希望了解这种高能过程，而且还希望将辐射用作研究雷暴的一些基本问题的新鲜镜头。甚至有希望，γ射线可以帮助大气科学家阐明百年历史的引发闪电的问题。
但是捕捉这些强烈的光线并不容易。尽管卫星已经发现了数千毫秒的地面γ射线闪烁（TGF），但这些测量结果无法提供足够接近的视图来详细揭示产生它们的机制。以前已经证明很难从地球上研究TGFs，科学家已经观察到仅在少数几个地方存在的发光时间更长。
金泽是捕捉辉光和闪光的最佳场所之一。该城市位于日本中部本州岛的西北侧，经常看到强大的雷云，冬天从西伯利亚滚滚而来，并悬停在离地面不到1公里的地方。由于云层很低，因此风暴释放的辐射可以到达地面，而不是被大气吸收。
天体物理学家Enoto在RIKEN Hakubi实验室领导的这个小组，在理解这些高能现象方面正在迅速发展，达勒姆郡新罕布什尔大学的大气物理学家Joseph Dwyer说。他说：“这些是该领域世界上最好的研究人员之一。”
在全球范围内，一些地面小组正在观察风暴带来的γ射线，其中包括大型设施的团队，这些团队旨在观察来自外太空的高能粒子。但是，通过使用检测器网络，这个小型的日本团队在发现这一现象方面一直是世界上最成功的团队之一-自2015年1月起，以不菲的预算，设法检测出十种TGF和数十种辉光。
Wada和Enoto为他们的计划制定了宏伟的计划，称为Thundercloud项目。他们现在正在日本公民的帮助下扩大其工作。今年，该团队将在学校，寺庙和房屋中建立一个由约50个探测器组成的网络，使他们能够捕捉更多的γ射线，绘制事件并跟踪其整个生命周期，这是以前从未尝试过的。该项目的成员，柏树Kavli宇宙物理与数学研究所科学传播研究员Ikotai Yuko说，在日本，该项目是物理学通过公民科学利用研究成果的首次尝试之一。 。
研究人员最终希望在整个城市中放置数百个小型探测器。 Enoto说，将精力集中在金泽上是一场赌博，但已经开始获得回报。 “现在，我很高兴，”他说。
1985年，当携带辐射探测器的NASA喷气式飞机在雷暴中飞行时，科学家首次看到γ射线从地球发出。它吸收了云层发出的微弱辐射，然后闪过雷电。然后，在1994年，美国国家航空航天局（NASA）的康普顿伽玛射线天文台（Comton Gamma Ray Observatory）被设计用来研究宇宙，该探测器探测到了来自雷云的TGF-明亮得多的γ射线爆发，仅持续几百微秒。德怀尔说，这出乎意料，因为这些爆炸源于“宇宙中每个人都不知道应该从那里发出γ射线的地方”-地球。
在宇宙的其他地方，在高能环境中（例如黑洞周围），带电粒子束会加速接近光速，并在粒子与气体和灰尘碰撞时产生γ射线。现在，在地球上，研究人员认为在某些类型的雷云中也会发生类似的情况，其中强电场将电子加速到极速。但是物理学家不知道产生γ射线所需的电场强度有多大或强度如何，也不知道风暴产生TGF所需要的电子数量是多少。 “目前，这是一个深层次的问题，” Enoto说。
卫星观察发现，它们通常会检测到向太空行进的转化生长因子，这表明闪电与雷击同时发生。每千次打击中大约有一个会产生TGF，这意味着每天在地球周围发生数千次闪光。但是卫星距离行动太远，无法提供更多细节。从暴风雨上方几百公里的有利位置，快速移动的卫星可能每次爆炸只能捕获少量光子，并难以确定其位置。他们也没有看到弱得多的γ发光。
飞机和气球也不是研究闪光的理想平台，因为它们会破坏自然现象并对研究人员造成危险。地面上的探测器比卫星提供的视野更近，但是它们几乎不足以抵御暴风云，因此γ射线在撞击地面之前会被很好地吸收。
Enoto和他的团队可以接近金泽的风暴。在2019年底，在冠状病毒大流行停止国际旅行之前，他们通过重新安装该季节的第一个探测器来为冬季运动做准备。在乘坐出租车前往学校时，Enoto注意到鲜红色的秋叶吸引着游客前往金泽著名的公共花园。他说，这座城市“美丽而古老，有美味的食物”。但是对于研究人员而言，这是该市最好的资产，频繁的闪电和低空雷暴的结合。他说：“这里的雷暴很特殊。”
雷云计划始于2015年，当时Enoto从在美国的五年工作中回来，并重燃了十年前对该主题的热情。作为2006年的一名博士生，Enoto和RIKEN的物理学家土屋春文（Harufumi Tsuchiya）安装了探测器，以探索由日本海沿岸，距金泽不远的核电站周围的γ射线监测站采集的奇怪的类似噪声的信号。探测器确认了这种峰值来自冬季雷云通过头顶2。
当他在2015年返回时，Enoto的主要研究领域是X射线的宇宙来源。但是他从未忘记离家更近的那迷人的辐射。与土屋团聚后，他着手建立一支探测器队，以探索位于石川县和新泻县东北的金泽大片地区周围的这些γ射线信号。他们计划的关键是制造便宜的台式γ射线探测器，并将其安装在数十个地点。 Wada加入团队并领导了该紧凑型设备的设计，该设备使用了60美元的小型Raspberry Pi计算机以及锗酸铋晶体，这种材料在被γ射线光子撞击时会发光。他们的实验利用了高能物理学中的工具，这是大气科学家很少使用的工具。 Wada说：“这是世界的融合。”
起初，该项目很难获得政府的研究资助，部分原因是该项目介于粒子物理学和大气科学之间。但是，该团队得以通过日本研究众筹平台Academist从150个支持者那里捐赠了160万日元（合1.5万美元），建造了第一代探测器。
在他们的第一个活动中，研究人员在金泽及周边城市安装了16个探测器，并于2017年取得了重大发现。他们观察到一系列有说服力的γ射线信号，这些信号只能由雷暴中的核反应引起。他们的里程碑式发现证明了γ射线可以将中子从空中的原子中撞出，使其具有放射性3。这一发现证实了一个假设的过程的存在，该过程会产生大气中某些放射性碳14的供应，这是研究人员使用的同位素。在古代材料的碳约会中。
现在，该团队正在进一步扩大规模，以期发现更多的γ射线事件并更好地了解引起这些事件的原因（请参见“伽马射线工厂”）。金泽是一个理想的地点，因为它有一个广阔的内陆平原，可以容纳一系列探测器，从而使研究人员能够跟踪来自行进云的信号。 Enoto与一家私营公司合作设计了一种更小，更便宜的探测器，他的团队计划将其分发给全市的公民科学家进行安装和操作。
每个带有GPS定位器标记的黄色框都称为紧凑型伽马射线监测仪或CoGaMo（金泽本地一种小鸭子的日语名称）。除现有的探测器网络外，该团队现已在人们的花园和房屋中放置了十枚CoGaMos。协调该项目的公民科学元素的Ikkatai说，大多数参与者都是朋友的朋友，其词已经通过渴望的高中教师网络传播开来。
今年晚些时候，在招募了更多参与公民科学工作的参与者之后，研究小组希望有50台探测器投入使用，明年有100台投入使用。该阵列将以间隔约1公里的探测器覆盖该区域。 Enoto说，尽管完整的公民科学项目尚未推出，但它“已经比我最初的X射线天文学领域受到更多关注”。
为了招募公民科学家，该团队与天气预报公司Weathernews合作，该公司已经使用了一批志愿者来拍摄和提交照片，以改善公司的实时天气报告。公众将能够使用Weathernews Web系统在暴风雨期间上传照片，而带有CoGaMo检测器的人将在γ射线发光期间收到自动提示。
Enoto说，这样的数据将是无价的，在活动期间揭示诸如云的结构，几何形状，大小和颜色等特征。 “我想知道的最大问题是，什么样的雷暴可以产生γ射线？”他说。 “我们不知道雷暴的标准类型与显示γ射线的奇怪类型之间的区别是什么。”
美国国家严重暴风雨实验室和俄克拉荷马大学的大气科学家Vanna Chmielewski说，公民照片在产生γ射线时会比使用雷达或其他常规方法更完整地展现雷云的特征。都在诺曼。她说：“坦白说，公民科学部分是我最兴奋的工作之一。”
Enoto的团队希望使用其探测器来了解γ射线发射区域的大小，以及它们如何随时间和空间以及云的移动而变化。加州大学圣克鲁斯分校的物理学家戴维·史密斯（David Smith）说，该小组取得成功的关键之一是“他们能够将这些东西放到所有地方”。自从那时以来，他一直在研究风暴中的高能现象。 2000年代初期。
Smith和他的同事与静冈大学的物理学家Masgawa Kamogawa合作，还在金泽地区的日本土壤上安装了一个单一的探测器系统。到目前为止，他们只看到了两次γ射线闪光。但是史密斯小组现在希望通过制作更小，更便宜，更不敏感的版本来模仿Enoto的方法，该版本可以由数百人生产并广泛分发（也许是与RIKEN团队合作）。他说：“那是我的梦想。”
物理学家了解发光和TGFs背后的基本过程，但仍有许多问题。一个关键因素是雷云中的强电场。当上升的空气流将冰晶带过下降的冰雹时，就形成了磁场。两者之间的摩擦在云的不同部分中形成了带负电荷和带正电荷的颗粒的单独池。这些领域是天然粒子促进剂。如果一个非常高能量的电子（可能是由外层空间的宇宙射线产生的）进入云层的电场，它就可以克服空气的摩擦，加速到接近光速4。
当电子撞击空气原子时，它会释放出在发光和闪烁中看到的γ射线，此过程称为致辐射。电子之所以繁殖，是因为每次碰撞都可以在连锁反应中将更多的电子从原子中剔除，从而产生大量雪崩粒子和大量γ射线5。
在γ射线发光中，这种粒子级联发生的速度很慢。在TGF中，它具有爆炸性。史密斯说，这就像发电厂的核反应与裂变炸弹发生的反应之间的区别。
谜底在于细节。研究人员知道的加速器机制无法产生足够的电子来产生TGF，这意味着其他一些过程也必须发挥作用。 γ射线现象与闪电之间的联系也仍然模糊。闪光灯会在雷击开始时出现，并可能由它们触发，而辉光可以在雷击发生前几分钟开始。
Enoto希望他的项目数据将有助于增进对这些天然粒子加速器的了解。他的探测器可以看到TGF，但是闪光灯是如此明亮，以至于使仪器饱和，因此研究人员还无法对其进行详细研究。如果当前的现场试验成功，Wada希望在CoGaMos中安装额外的探测器，以更好地捕获TGF，从而帮助研究人员在有关其起源的竞争性观点之间做出决定。
研究人员提出了两种主要可能性。一种假设认为，电子是在闪电“引线”的尖端释放的，“引线”是在较大的可见雷电流之前出现的狭窄导电通道。根据这个想法，领导者尖端的极端电场可使空气电离，产生数万亿个“种子”电子。
德怀尔（Dwyer）称为暗闪电的另一种提出的机制说，雪崩过程本身会产生比最初提出的更多的电子，因为高能电子产生的某些γ射线会触发全新的级联，即雪崩。 。
目前，日本阵营的真正实力将在于探索发光物，即闪光的小表亲。该小组现在每年在金泽看到20次发光，并使用来自射频接收器的数据绘制闪电图-与合作者合作，后者使用无线电发射来检测罢工的强度和位置，并利用雷达。
该团队希望使用其阵列来追踪发光体在漂移数公里时的发光，以了解产生它们的风暴中强电场的寿命，包括粒子加速如何开始，如何发展以及如何停止。
在2019年，该团队成为第一个明确显示不断增长的辉光并突然终止并带有γ射线闪光和闪电6的团队。“这是一个美丽的结果，”史密斯说。对Enoto来说，这暗示着引起辉光的高能电子流可能触发闪电及其相关的TGF，但该团队需要更多观察才能得出结论。他说，这个想法是“令人兴奋的可能性”。
引发闪电的原因是大气科学中最大的谜团之一。 Chmielewski说：“本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）几个世纪以前就研究过闪电，但是我们仍然对它的形成和发展知之甚少。”问题在于，到目前为止，在风暴中看到的电场似乎太弱，无法将空气中的原子电离，这一过程使闪电形式的电流能够将两个分开的电荷区域连接起来。
物理学家Ashot Chilingarian说，确实有证据表明，所涉及的电子雪崩可能会为雷电领导者打开道路。他的团队位于亚美尼亚埃里温物理研究所山顶Aragats宇宙射线研究站，是世界上唯一看到大量发光的目击者，目睹了数百起事件。他们用一个更笼统的术语（雷雨地面增强）来指称辉光，因为它们的探测器还会拾取电子和其他撞击粒子。
长时间以来，雷电仍然是一个谜的一个原因是，很难安全地研究暴风云内部的电场。德怀尔说，无论发光是否触发，它们都是研究闪电的重要工具，因为它们可以揭示风暴内部的状况。 γ射线告诉研究人员电场持续存在多长时间以及强度有多强。 “这些真的很难直接测量，” Dwyer说。
此外，辉光经常以闪电终止，最终通过耗散电场拉动加速器上的插头。如果团队能够弄清导致辉光导致闪电的条件，Wada还希望可以使用γ射线信号来预测罢工发生前的分钟数，从而挽救生命并保护财产。
史密斯说，了解TGFs的常见程度，以及哪种雷电会触发它们很重要，这是另一个原因，Smith说：在某些情况下，它们可能很危险。辉光太弱而不会引起问题，并且当TGF到达地面时，它们通常是无害的。但是近距离来看，闪烁效果更强。史密斯说，例如，如果有人撞上飞机，“在最坏的情况下，您可能会让人们从飞机上走出来，身上有明显的放射病迹象”。他说，令人放心的是从未见过这种情况。对于飞机而言，这可能不是问题，因为它们经常会触发雷电，这意味着它们可能会在电场变得足够强而不会产生γ射线闪光之前就这样做。但是他想知道飞机上的人是否会收到未被发现的较小剂量。 “这可能会导致20年后出现2或3例癌症，而且您永远不会知道。但重要的是要知道。”他说。
Enoto的团队现在正在考虑将CoGaMos放在日本的客机上，以查看他们是否能够检测到这种来自空中的隐形辐射。而且他们有在各个位置使用小型探测器的错误：从2022年开始，研究小组计划将鞋盒大小的类似CoGaMo的探测器安装在称为cubesats的小型卫星上。这将使研究宇宙源X射线的发射变得如此明亮，以至于使十亿美元的望远镜（例如NASA的钱德拉X射线天文台）饱和。
回到金泽出神冈高中后，和田成功地将探测器固定在屋顶上，和田，Enoto和他们的同事们撤回到温暖的教室，很快有十几名渴望的学生聚集在那里。 最初害羞的学生最终向Enoto询问有关探测器，辐射和当地风暴的问题-他们不知道这会带来多么大的收获。 和田很高兴。 他说：“我们希望这项研究对所有人开放。”
