科学视点

研究揭秘暴风雨上的闪光 空间站相机记录雷暴如何触发伽马射线暴

在这张由国际空间站宇航员拍摄的照片中,闪电掠过科威特和沙特阿拉伯上空。图片来源:NASA/JSC

  在过去的一年里,国际空间站上的一组照相机在雷暴中心观测到数百次伽马射线闪光。通过将这些神秘的闪光与穿越同一风暴的闪电进行比较,空间物理学家开始破解几十年来困扰他们的这一高能量爆发成因之谜。

  研究人员发现,这种被称为地面伽马射线闪光(TGF)的爆发,是在强电场穿过大气层时形成的——仅仅就在闪电沿着同一路径传播之前。在此期间,带电粒子与大气相互作用,产生超高速闪烁的伽马射线,而这是肉眼无法看到的,但安装在国际空间站上的专业照相机却可以拍摄到这一画面。

  这些仪器为研究普通闪电和TGF之间的关系提供了迄今为止最好的视角。科学家从1994年就知道了TGF,但一直无法给出很好的解释。

  “这是一项改变游戏规则的工作。”挪威卑尔根大学空间物理学家Nikolai Ostgaard说。他于7月9日和12日在加拿大蒙特利尔举行的国际大地测量学和地球物理学联盟会议的两次发言中描述了这一发现。

  这种对TGF如何形成的洞察来自于大气—空间相互作用监测器(ASIM),后者是一组由哥本哈根附近的丹麦技术大学领导、几所欧洲大学和公司合作制造的盒子状的照相机和传感器。ASIM于2018年4月发射至国际空间站。与其他研究大气电学的任务不同,它是设计用来以前所未有的精确度同时研究普通闪电和TGF的。

  在最初10个月的数据收集过程中,ASIM发现了94次TGF和闪电彼此之间非常接近的情况。超过一半的情况遵循同样的顺序—— 一次微弱的光脉冲出现,可能是在带电粒子开始沿着雷暴中的一条导电通道移动之后。随后TGF爆发,到处都是伽马射线。在几百微秒内,一个巨大的电流脉冲沿着同样的带电路径流动,最终形成了闪电。

  Ostgaard指出,这些数据支持了这样一种理论,即在导电通道的尖端需要一个小而强的电场才能产生一次TGF。一些相互竞争的理论认为,当一场雷暴在云层中形成一个同样很强但规模要大得多的电场时,TGF就形成了。“我们的研究结果确实更多支持前一种观点。”Ostgaard说,“我们已经解决了这个问题。”

  美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校空间物理学家David Smith说,这些新数据非常“鼓舞人心”。达勒姆市新罕布什尔大学空间物理学家Joseph Dwyer则希望,这些观测结果“将为我们指明正确的方向”,从而帮助弄清TGF是如何产生的。

  ASIM的研究人员还需要检查该仪器的观测结果与针对相同风暴的其他测量结果有何不同,并判断其发现的TGF和闪电之间的关系在观测到越来越多的TGF后是否仍然成立。

  预计ASIM将至少再工作两年。研究人员希望在此期间看到更多TGF。“这就像出去钓鱼,你只需要等待那条大鱼。”Ostgaard说。

  Ostgaard及其同事甚至试图更近距离地观察这些雷暴。ASIM从距离地表约400公里的高空向下观测,而TGF发生在距离地表约11至13公里的高空。Ostgaard和其他人希望使用安装在一架飞行高度略高于雷暴的飞机上的伽马射线探测器近距离观测TGF信号。

  研究人员表示,这些研究飞行最早可能在2021年进行,将提供探索神秘闪光的另一条途径。

  伽马射线暴是来自天空中某一方向的伽马射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱的现象,持续时间在0.1至1000秒,辐射主要集中在0.1至100MeV的能段。


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