Flash de raios gama terrestre - Terrestrial gamma-ray flash

Para explosões de raios gama de origem cósmica, consulte Explosão de raios gama .
Concepção artística de flash de raios gama e fenômenos relacionados.
Os pontos vermelhos mostram alguns dos ~ 500 flashes de raios gama terrestres detectados diariamente pelo Telescópio Espacial Fermi de raios gama em 2010.

Um flash de raios gama terrestre ( TGF ) é uma explosão de raios gama produzidos na atmosfera da Terra. Os TGFs duram de 0,2 a 3,5 milissegundos e têm energias de até 20 milhões de eletronvolts . Especula-se que os TGFs são causados ​​por intensos campos elétricos produzidos acima ou dentro das tempestades . Os cientistas também detectaram pósitrons e elétrons energéticos produzidos por flashes de raios gama terrestres.

Descoberta

Flashes de raios gama terrestres foram descobertos pela primeira vez em 1994 por BATSE , ou Burst and Transient Source Experiment, no Compton Gamma-Ray Observatory , uma nave espacial da NASA . Um estudo subsequente da Universidade de Stanford em 1996 vinculou um TGF a um relâmpago individual ocorrendo dentro de alguns milissegundos do TGF. O BATSE detectou apenas um pequeno número de eventos de TGF em nove anos (76), devido a ter sido construído para estudar explosões de raios gama do espaço sideral, que duram muito mais tempo.

No início dos anos 2000, o satélite Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager ( RHESSI ) observou TGFs com energias muito mais altas do que as registradas pelo BATSE. Os dados RHESSI levaram os cientistas a estimar que aproximadamente 50 TGFs ocorrem a cada dia, mais do que se pensava anteriormente, mas ainda representando apenas uma fração muito pequena do total de raios na Terra (3–4 milhões de eventos de raios por dia em média). Alguns anos depois, cientistas usando o Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA , que foi projetado para monitorar os raios gama, estimaram que cerca de 500 TGFs ocorrem diariamente em todo o mundo, mas a maioria passa despercebida.

Mecanismo

Produção hipotética de TGF acima de uma nuvem de tempestade impulsionada por campos em decomposição após uma grande descarga elétrica.

Embora os detalhes do mecanismo sejam incertos, há um consenso se formando sobre os requisitos físicos. Presume-se que os fótons do TGF são emitidos por elétrons que viajam a velocidades muito próximas à velocidade da luz, que colidem com os núcleos dos átomos no ar e liberam sua energia na forma de raios gama ( bremsstrahlung ). Grandes populações de elétrons energéticos podem se formar pelo crescimento de avalanche impulsionado por campos elétricos , um fenômeno chamado avalanche de elétrons em fuga relativística (RREA). O campo elétrico é provavelmente fornecido por relâmpagos, já que a maioria dos TGFs demonstrou ocorrer dentro de alguns milissegundos de um evento de relâmpago (Inan et al. 1996). Além dessa imagem básica, os detalhes são incertos. Pesquisas recentes mostraram que elétron-elétron ( Bremsstrahlung ) leva primeiro a um enriquecimento de elétrons de alta energia e, subsequentemente, aumenta o número de fótons de alta energia.

Algumas das estruturas teóricas padrão foram emprestadas de outras descargas associadas a raios, como sprites, jatos azuis e elfos , que foram descobertos nos anos imediatamente anteriores às primeiras observações de TGF. Por exemplo, esse campo pode ser devido à separação de cargas em uma nuvem de tempestade (campo "DC") frequentemente associada a sprites, ou devido ao pulso eletromagnético (EMP) produzido por uma descarga elétrica, frequentemente associada a elfos. Há também algumas evidências de que certos TGFs ocorrem na ausência de raios, embora na vizinhança da atividade geral dos raios, o que evocou comparações com jatos azuis.

Produção hipotética de TGF próxima a uma nuvem de tempestade conduzida por ondas eletromagnéticas irradiadas por um grande pulso de corrente elétrica.

O modelo de campo DC requer uma carga de nuvem de tempestade muito grande para criar campos suficientes em grandes altitudes (por exemplo, 50–90 km, onde os sprites se formam). Ao contrário do caso dos sprites, essas grandes cargas não parecem estar associadas a raios geradores de TGF. Assim, o modelo de campo DC requer que o TGF ocorra mais abaixo, no topo da nuvem de tempestade (10–20 km), onde um campo local pode ser mais forte. Esta hipótese é apoiada por duas observações independentes. Primeiro, o espectro dos raios gama vistos por RHESSI combina muito bem com a previsão de fuga relativística em 15-20 km. Em segundo lugar, os TGFs estão fortemente concentrados em torno do equador da Terra quando comparados aos relâmpagos. (Podem também ser concentrada sobre a água em comparação com um raio em geral.) Thundercloud topos são maiores próximo do equador , e, portanto, os raios gama de TGFs produzido não terá uma melhor oportunidade de escapar a atmosfera. A implicação seria então que existem muitos TGFs de baixa altitude não vistos do espaço, particularmente em latitudes mais altas.

Produção hipotética de TGF em uma nuvem de tempestade.

Uma hipótese alternativa, o modelo EMP, relaxa a necessidade de carga da nuvem de tempestade, mas, em vez disso, requer um grande pulso de corrente movendo-se a uma velocidade muito alta. A velocidade de pulso atual necessária é muito restritiva e ainda não há qualquer suporte de observação direto para este modelo.

Outro mecanismo hipotético é que os TGFs são produzidos dentro da própria nuvem de tempestade, seja nos fortes campos elétricos próximos ao canal do raio ou nos campos estáticos que existem em grandes volumes da nuvem. Esses mecanismos dependem da atividade extrema do canal de relâmpago para iniciar o processo (Carlson et al. 2010) ou de um forte feedback para permitir que até mesmo eventos aleatórios de pequena escala acionem a produção. O Monitor de Interações Atmosfera-Espaço (ASIM), dedicado a medir simultaneamente sinais ópticos de relâmpagos e sinais de flashes de raios gama terrestres, revelou que os TGFs estão geralmente associados a flashes ópticos, sugerindo fortemente que elétrons relativísticos como precursores dos TGFs são produzidos no fortes campos elétricos na proximidade de canais de raios.

Eventos conjugados

Foi sugerido que os TGFs também devem lançar feixes de elétrons e pósitrons altamente relativísticos que escapam da atmosfera, se propagam ao longo do campo magnético da Terra e precipitam no hemisfério oposto. Alguns casos de TGFs em RHESSI, BATSE e Fermi-GBM mostraram padrões incomuns que podem ser explicados por tais feixes de elétron / pósitron, mas tais eventos são muito incomuns.

Cálculos mostraram que os TGFs podem liberar não apenas pósitrons, mas também nêutrons e prótons. Os nêutrons já foram medidos em descargas elétricas, enquanto não há confirmação experimental de prótons relacionados à descarga (2016). Pesquisas recentes mostraram que a fluência desses nêutrons fica entre 10 −9 e 10 −13 por ms e por m 2, dependendo da altitude de detecção. A energia da maioria desses nêutrons, mesmo com energias iniciais de 20 MeV, diminui até a faixa de keV em 1 ms.

Outras pesquisas

Os flashes de raios gama terrestres representam um desafio para as teorias atuais de relâmpagos, especialmente com a descoberta das assinaturas claras da antimatéria produzida em relâmpagos.

Foi descoberto nos últimos 15 anos que entre os processos de relâmpagos está algum mecanismo capaz de gerar raios gama , que escapam da atmosfera e são observados por espaçonaves em órbita. Trazidos à luz por Gerald Fishman da NASA em 1994 em um artigo na Science , esses chamados flashes de raios gama terrestres (TGFs) foram observados por acidente, enquanto ele documentava ocorrências de explosões de raios gama extraterrestres observadas pelo Raio Gama Compton Observatório (CGRO). Os TGFs são muito mais curtos em duração, entretanto, durando apenas cerca de 1 ms.

O professor Umran Inan, da Universidade de Stanford, vinculou um TGF a um relâmpago individual ocorrendo dentro de 1,5 ms do evento TGF, provando pela primeira vez que o TGF era de origem atmosférica e associado a quedas de raios.

A CGRO registrou apenas cerca de 77 eventos em 10 anos; no entanto, mais recentemente, a espaçonave Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI), conforme relatado por David Smith da UC Santa Cruz , tem observado os TGFs em uma taxa muito mais alta, indicando que estes ocorrem cerca de 50 vezes por dia globalmente (ainda um fração muito pequena do total de relâmpagos no planeta). Os níveis de energia registrados ultrapassam 20 MeV.

Cientistas da Duke University também têm estudado a ligação entre certos eventos de relâmpagos e as misteriosas emissões de raios gama que emanam da própria atmosfera da Terra, à luz de observações mais recentes de TGFs feitas por RHESSI. Seu estudo sugere que esta radiação gama sobe de pontos de partida em altitudes surpreendentemente baixas em nuvens de tempestade.

Steven Cummer, da Pratt School of Engineering da Duke University , disse: "Esses são raios gama de energia mais alta do que os que vêm do Sol. E, no entanto, aqui estão eles vindo do tipo de tempestade terrestre que vemos aqui o tempo todo."

As primeiras hipóteses apontavam para raios gerando altos campos elétricos e conduzindo avalanche de elétrons descontrolados relativísticos em altitudes bem acima da nuvem, onde a fina atmosfera permite que os raios gama escapem facilmente para o espaço, semelhante à forma como os sprites são gerados. Evidências subsequentes, no entanto, sugeriram que os TGFs podem ser produzidos por meio de avalanches de elétrons relativísticos dentro ou logo acima das nuvens de tempestade. Embora impedidas pela absorção atmosférica dos raios gama que escapam, essas teorias não requerem os raios excepcionalmente intensos dos quais as teorias de alta altitude da geração de TGF dependem.

O papel dos TGFs e sua relação com os raios permanece um assunto de estudos científicos em andamento.

Em 2009, o Telescópio Espacial Fermi de raios gama na órbita da Terra observou intensa explosão de raios gama correspondendo a aniquilações de pósitrons saindo de uma formação de tempestade. Os cientistas não ficariam surpresos ao ver alguns pósitrons acompanhando qualquer explosão intensa de raios gama, mas o relâmpago detectado por Fermi parecia ter produzido cerca de 100 trilhões de pósitrons. Isso foi noticiado pela mídia em janeiro de 2011 e nunca havia sido observado anteriormente.

O Monitor de Interações Atmosfera-Espaço (ASIM), um experimento dedicado ao estudo de TGFs, foi lançado na Estação Espacial Internacional em 2 de abril de 2018 e montado na Instalação de Carga Externa de Columbus em 13 de abril de 2018.

Veja também

Referências

Leitura adicional