За миг до удара молнии: Учёные увидели, как встреча разрядов молнии рождает гамма-лучи

Молния. Это слово мгновенно вызывает в воображении картину грандиозного, устрашающего и одновременно завораживающего природного явления. Испокон веков зигзаги света, разрывающие грозовое небо, будоражили умы людей, порождая мифы и становясь объектом первых научных изысканий. Но даже сегодня, в век продвинутых технологий, этот огненный небесный танец хранит немало секретов. Недавнее исследование японских учёных из Университета Осаки, опубликованное в престижном журнале Science Advances, приоткрыло завесу над одной из самых интригующих загадок молнии — её способностью генерировать гамма-излучение, самые энергетически мощные фотоны во Вселенной.

Звучит почти как научная фантастика, не правда ли? Давайте разберёмся, что же такого особенного в этом открытии.

Гамма-лучи… с Земли? Космический гость в нашей атмосфере

Для начала, что такое гамма-лучи? Представьте себе весь спектр электромагнитного излучения — от радиоволн до видимого света и рентгеновских лучей. Гамма-лучи находятся на самом его краю, обладая колоссальной энергией. Обычно мы связываем их с поистине космическими катаклизмами: взрывами сверхновых звёзд, активностью чёрных дыр или столкновениями нейтронных звёзд. Это процессы, где высвобождаются такие объёмы энергии, которые трудно даже вообразить.

И вот, оказывается, нечто подобное, пусть и в меньших масштабах, происходит прямо у нас над головами, во время обычной грозы. Эти земные гамма-вспышки (ЗГВ, или по-английски TGF — Terrestrial Gamma-ray Flashes) — явление относительно молодое для науки. Гипотеза о том, что молнии могут быть их источником, существовала давно. Предполагалось, что мощнейшие электрические поля в грозовых облаках способны разгонять электроны до околосветовых скоростей. Эти релятивистские электроны, сталкиваясь с молекулами воздуха, и должны порождать гамма-кванты. Однако поймать этот момент «за руку» было невероятно сложно. Почему? Да потому что вся эта феерия длится какие-то ничтожные доли секунды — десятки микросекунд! Это как пытаться сфотографировать пулю в полёте с помощью старинного фотоаппарата.

Охота на призрачную вспышку: как это было сделано

Именно здесь на сцену выходят исследователи из Университета Осаки. Они не просто подтвердили старую гипотезу, но и впервые в мире смогли детально зафиксировать сам процесс рождения ЗГВ, синхронизировав его с развитием молниевого разряда. Для этого в городе Канадзава, известном своими интенсивными зимними грозами, была развёрнута целая сеть высокотехнологичных датчиков. Это был настоящий мультисенсорный оркестр, играющий на частотах оптического, радиоволнового и, конечно же, высокоэнергетического гамма-излучения.

Что же они увидели? Картина оказалась захватывающей. Учёные наблюдали за формированием молнии между грозовым облаком и наземной передающей вышкой. Как известно, молния не бьёт сразу единым каналом. Ей предшествует развитие так называемых лидеров — слабо светящихся каналов ионизированного воздуха. В данном случае наблюдалось два таких лидера: один спускался из облака вниз, а другой, ему навстречу, поднимался от вышки. Это похоже на два электрических «щупальца», тянущихся друг к другу.

И вот тут-то, в точке их максимального сближения, но ещё до фактического замыкания цепи и основного, ослепительного удара молнии, приборы зафиксировали ту самую земную гамма-вспышку. Это ключевой момент! Оказывается, именно в этот предгрозовой миг, когда лидеры почти соприкоснулись, создаётся невероятно концентрированное электрическое поле. Оно-то и работает как природный ускоритель частиц, разгоняя свободные электроны в воздухе до скоростей, близких к скорости света.

Микросекунды, которые всё решили

Цифры, полученные японскими учёными, поражают своей точностью и значимостью. Первый гамма-фотон был зарегистрирован за 31 микросекунду до того, как лидеры встретились. А сам всплеск гамма-излучения продолжался ещё 20 микросекунд после их столкновения, которое и породило основной разряд молнии силой в внушительные -56 тысяч ампер.

Что это значит? А то, что теперь мы гораздо лучше понимаем, когда и как рождаются эти загадочные ЗГВ. Это не побочный эффект уже состоявшегося удара молнии, а скорее его предвестник, возникающий в экстремальных условиях схождения лидеров. Это как искра, проскакивающая перед тем, как вспыхнет большой костёр. Юки Вада, ведущий автор исследования, подчеркивает: «Возможность изучать такие экстремальные процессы… позволяет нам глубже понять высокоэнергетические явления, происходящие в атмосфере Земли».

От фундаментальной науки к практической пользе (и обратно)

Казалось бы, ну, гамма-лучи от молний, ну, красиво, физики рады. Какое это имеет отношение к нам с вами? Самое прямое!

Во-первых, это фундаментальное знание. Понимание таких процессов расширяет наши горизонты познания природы. Мы видим, что Земля способна на такие «космические» спецэффекты. Это помогает уточнить модели развития молний, понять динамику их лидеров, возможно, даже разобраться в таких тонких механизмах, как «тепловой разгон» или «релятивистская обратная связь» — это когда разогнанные частицы сами начинают влиять на поле, ещё больше его усиливая.

Во-вторых, есть и вполне практический аспект. Гамма-излучение — это всё-таки радиация. Хотя дозы от ЗГВ, достигающие поверхности Земли, невелики, для авиации, особенно для бортовой электроники, это может представлять определённый интерес. А главное, детальное понимание всех этапов развития молнии, включая эти высокоэнергетические предвестники, может помочь в разработке более совершенных систем молниезащиты для зданий, линий электропередач и другой критически важной инфраструктуры. Ведь если мы знаем, что перед ударом происходит нечто особенное, возможно, мы сможем это «нечто» детектировать и принимать превентивные меры.

Как отмечает Харуфуми Цутия, старший автор работы, «хотя некоторые загадки ещё остаются, этот метод приблизил нас к пониманию механизма этих удивительных всплесков излучения».

Итак, что мы имеем? Загадка, мучившая учёных десятилетиями, начала поддаваться. Молния, этот древний символ силы и тайны, оказывается, способна на гораздо большее, чем мы думали. Она не просто освещает небо и гремит, она — природный ускоритель частиц, порождающий самое энергетически мощное излучение во Вселенной. И каждое такое открытие, как работа японских исследователей, не только отвечает на старые вопросы, но и, как это всегда бывает в науке, ставит новые, ещё более интересные. И это прекрасно, ведь именно любопытство движет прогресс. А вы знали, что обычная гроза может быть такой… космической? Теперь знаете.