Επικίνδυνες ακτίνες και αντιύλη από κοινές καταιγίδες!

Επικίνδυνες ακτίνες και αντιύλη από κοινές καταιγίδες!

Με τις πρώτες καταγραφές μετά την τοποθέτηση σε τροχιά του διαστημικού τηλεσκοπίου ακτίνων γάμμα Κόμπτον, το 1991, οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι κάτι περίεργο συμβαίνει. Το τηλεσκόπιο ήταν κατασκευασμένο για να μελετήσει τις εκπομπές ακτίνων γάμμα από μακρινά ουράνια σώματα, όπως οι αστέρες νετρονίων και τα υπολείμματα υπερκαινοφανών (σουπερνόβα), αλλά είχε αρχίσει να καταγράφει και λαμπρές ριπές ακτίνων γάμμα διάρκειας χιλιοστών του δευτερολέπτου, με προέλευση όχι τα βάθη του Γαλαξία, αλλά τη Γη από κάτω. Οι ριπές αυτές διαπερνούσαν το πίσω μέρος του τηλεσκοπίου, φτάνοντας τελικά στους ανιχνευτές.

Οι αστροφυσικοί ήξεραν ήδη ότι εξωτικά φαινόμενα όπως οι ηλιακές εκλάμψεις, οι μαύρες τρύπες και τα άστρα που εκρήγνυνται επιταχύνουν ηλεκτρόνια και άλλα υποατομικά σωματίδια σε πολύ υψηλές ενέργειες και ότι αυτά τα σωματίδια μπορούν να εκπέμψουν ακτίνες γάμμα, δηλαδή τα υψηλότερης ενέργειας φωτόνια στη φύση. Στα αστροφυσικά φαινόμενα, τα σωματίδια επιταχύνονται καθώς κινούνται σχεδόν ελεύθερα στο διαστημικό χώρο που είναι πρακτικά κενός. Πώς, όμως, θα μπορούσαν κάποια σωματίδια στην ατμόσφαιρα της Γης - που απέχει παρασάγγας από το να είναι κενή - να κάνουν το ίδιο;

Αντιύλη στην ατμόσφαιρα!

Τα πρώτα δεδομένα οδήγησαν τους επιστήμονες στην υπόθεση ότι η πηγή αυτών των γήινων ριπών ακτίνων γάμμα βρίσκεται σε κοκκινωπές ηλεκτρικές εκκενώσεις με μορφή μέδουσας, που συμβαίνουν 65 χιλιόμετρα πάνω από τα σύννεφα, στο κάτω μέρος της ιονόσφαιρας. Ομως, η παραπέρα μελέτη του φαινομένου και η ανάλυση του ενεργειακού φάσματος των φωτονίων, έδειξαν ότι στην πραγματικότητα οι ριπές παράγονται πολύ πιο χαμηλά, από ηλεκτρικές εκκενώσεις μέσα στα συνηθισμένα σύννεφα των καταιγίδων. Περίπλοκες θεωρίες προσπάθησαν να συμβαδίσουν με τα πειραματικά δεδομένα, αλλά οι ενέργειες που ανιχνεύονταν ήταν πολύ υψηλότερες απ' ό,τι θεωρούνταν ότι μπορεί να εμφανιστεί μέσα στην ατμόσφαιρα. Καταγράφηκαν μέχρι και οι χαρακτηριστικές ενδείξεις για το σχηματισμό αντιύλης, που μετατρέπεται στη συνέχεια σε ενέργεια, καθώς αλληλεπιδρά με σωματίδια ύλης.

Εικοσιένα χρόνια αργότερα, οι ερευνητές έχουν πια μια αρκετά καλή ιδέα για το τι δημιουργεί τις γήινες ριπές ακτίνων γάμμα, αν και παραμένουν κάποιες αβεβαιότητες. Το ζήτημα της ύπαρξης αυτών των ριπών δεν είναι θεωρητικού ενδιαφέροντος, αλλά έχει και πρακτική αξία, τουλάχιστον για όσους είναι συχνοί επιβάτες αεροπλάνων, που περνάνε κοντά - καμιά φορά και μέσα - από καταιγίδες, με αποτέλεσμα να δέχονται επιπλέον ακτινοβολία, πέρα από την κοσμική.

Αλυσιδωτή αντίδραση

Ηδη από το 1992, ο Αλεξάντρ Γκούρεβιτς, του Ινστιτούτου Φυσικής της Μόσχας είχε διατυπώσει το μηχανισμό αλυσιδωτής αντίδρασης, μέσω του οποίου τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται αρχικά και επιταχύνονται, αλληλεπιδρούν με άτομα των ατμοσφαιρικών αερίων σε μεγαλύτερο ύψος και προκαλούν ένα φαινόμενο χιονοστιβάδας ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, που φτάνει ως τα άκρα του ηλεκτρικού πεδίου. Τα δεδομένα από το Κόμπτον φαίνονταν να επιβεβαιώνουν τη θεωρία για την παραγωγή των ριπών σε μεγάλο ύψος, αλλά το 2008 αποδείχτηκε ότι οι ριπές ήταν τόσο ισχυρές που τύφλωσαν το υπερευαίσθητο τηλεσκόπιο, με αποτέλεσμα να καταγράφει λιγότερα φωτόνια ακτίνων γάμμα απ' όσα έφταναν μέχρις αυτό.

Η επιστημονική εικασία της σχετικιστικής ανατροφοδότησης (βλ. εικόνα) πέτυχε να εξηγήσει με ακρίβεια την ένταση, τη διάρκεια και το ενεργειακό φάσμα των πειραματικών μετρήσεων γήινων ριπών ακτίνων γάμμα. Μια πιο προσγειωμένη ερμηνεία του φαινομένου, σύμφωνα με την οποία οι ακτίνες γάμμα οφείλονται σε αστραπές ισχυρότερες απ' τις συνηθισμένες, που εκπέμπουν ακτίνες Χ, δεν πετυχαίνει την ίδια ταύτιση με το πείραμα.

Οι καταιγίδες είναι έτσι κι αλλιώς επικίνδυνες περιοχές για να βρίσκεται ένα αεροπλάνο και οι πιλότοι τις αποφεύγουν. Συνήθως, εκπέμπουν μια ασθενή λάμψη ακτίνων γάμμα χαμηλής ενέργειας. Αν όμως ένα αεροσκάφος τύχει να βρεθεί μέσα σε μια από τις καταιγίδες που παράγουν ριπές ακτίνων γάμμα υψηλής ενέργειας, τότε η ακτινοβολία που θα δεχτούν οι επιβάτες και το πλήρωμα θα είναι αντίστοιχη με την επιτρεπόμενη δόση για ολόκληρη τη ζωή τους. Οι ΗΠΑ, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος και η Ρωσία ετοιμάζουν τώρα ειδικές διαστημικές αποστολές για τη μελέτη των γήινων ριπών ακτίνων γάμμα.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»

    

Οι γήινες ριπές ακτίνων γάμμα πιθανότατα συσχετίζονται με «χιονοστιβάδες» ηλεκτρονίων, που όταν απελευθερωθούν από τα άτομα όπου ανήκαν, επιταχύνονται σχεδόν ως την ταχύτητα του φωτός μέσα στο ισχυρότατο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται στα σύννεφα των καταιγίδων. Οταν αυτά τα ηλεκτρόνια συγκρουστούν με τον πυρήνα ατόμου κάποιου μορίου της ατμόσφαιρας, απελευθερώνουν φωτόνια ακτίνων γάμμα. Αλλά για να ερμηνευθούν οι ενέργειες των φωτονίων, που συγκρίνονται με εκείνες των αστρικών εκρήξεων, πρέπει να υπάρχει ένας επιπλέον μηχανισμός.

Στην επιστημονική εικασία της σχετικιστικής ανατροφοδότησης (αριστερά), μερικές από τις ακτίνες γάμμα μετασχηματίζονται στο ενεργειακό ισοδύναμό τους με τη μορφή ύλης και αντιύλης (ζεύγη ηλεκτρονίου - ποζιτρονίου). Επειδή τα ποζιτρόνια έχουν θετικό φορτίο, κινούνται αντίθετα (προς τα κάτω) και δημιουργούν αλυσιδωτά νέες απελευθερώσεις ηλεκτρονίων.

Σύμφωνα με την επιστημονική εικασία της αστραπής οδηγού, μια πολύ ισχυρή ηλεκτρική εκκένωση απελευθερώνει νέες «χιονοστιβάδες» ηλεκτρονίων, καθώς ταξιδεύει από τη βάση του νέφους προς την κορυφή του.