在罕见的闪电触发伽马射线方面取得突破在犹他州西部的沙漠中

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在犹他州西部的沙漠中，望远镜阵列横跨纽约市大小的区域，等待宇宙射线。该设备探测到的高能粒子不断与地球大气碰撞，宇宙射线每隔几分钟就会触发500多个传感器。在2013年的数据中，望远镜阵列物理学家发现了一个奇怪的粒子特征，光子相当于由消防水龙带加标点的细雨。该阵列出人意料地记录了一种极其罕见的现象——伽马射线，这是电磁光谱中最高能量的光波，是由雷击产生的，辐射向下照射到地球表面。五年后，由犹他大学宇宙射线小组领导的一个国际团队，比以往任何时候都更详细地观察到所谓的“向下地球伽马射线闪光”(TGFs)。

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在2014年到2016年间，望远镜阵列探测到10次向下的TGFs，这比世界其他地区的总和还多。望远镜阵列闪电项目是第一个在云对地闪电开始时探测到向下的TGFs，并显示它们在雷暴中产生的位置。望远镜阵列是目前为止唯一能够记录地面上完整的TGF“足迹”的设备，并且显示伽马射线覆盖了直径为3到5公里的区域。研究报告的主要作者、美国高能天体物理研究所(High-Energy Astrophysics Institute)和美国物理与天文系(Department of Physics &天文学)研究员拉沙阿巴西(Rasha Abbasi)说：真正酷的是，望远镜阵列并不是用来探测这些东西的，我们比其他实验大100倍，我们的探测器响应时间要快得多。

所有这些因素都给了我们一个我们没有意识到的能力——我们可以以其他人无法看到的方式来看待闪电。这项研究发表在《地球物理研究》期刊上。一个不小心完美的实验室，该研究的基础是去年发表的一项研究，该研究发现，在2008年至2013年之间发现的类似的高能粒子阵雨爆发之间存在很强的相关性，并且国家闪电探测网络记录了闪电活动。物理学家们都惊呆了。在一毫秒内发生的探测器有四到五个触发点。美国国家科学基金会资助的望远镜阵列闪电项目的首席研究员、美国物理学教授约翰·贝尔兹说：宇宙射线的速度比预期的要快得多。

最终意识到，所有这些奇怪的事件都发生在天气不好的时候。所以，我们研究了国家闪电探测网络，然后发现，会有雷击，在一毫秒内我们就会触发脉冲。研究人员请来了新墨西哥理工大学朗缪尔实验室的闪电专家，帮助他们更详细地研究闪电。他们安装了一个由该小组开发的九站闪电地图阵列，该阵列产生了闪电在风暴中发出的辐射频率辐射的3-D图像。2014年，他们在阵列的中心安装了一个额外的仪器，叫做“慢天线”，记录了闪电放电引起的风暴电荷的变化。

综合起来，望远镜阵列探测和闪电观测是我们对TGFs理解的一个重大进步。在此之前，TGFs主要是由卫星探测到的，很少或没有地面数据来表明它们是如何产生的。除了为探测伽马射线提供更好的区域覆盖外，阵列测量更接近TGF源，并表明伽马射线是在短时间内产生的，每一段只持续10到几十微秒。一个极其罕见的现象直到1994年费米卫星记录了第一个TGF，物理学家认为只有剧烈的天体事件，如爆炸的恒星，才能产生伽马射线。科学家们逐渐确定，这些射线是在闪电的最初几毫秒内产生的，闪电将光线射向太空。自从发现这些向上的TGFs后，物理学家们一直在想，云对地闪电是否也能产生类似的TGFs，从而向下照射到地球表面。

之前，只有6个向下的TGFs被记录下来，其中两个来自人工诱导的闪电实验。在闪电已经击中地面之后，剩下的四项关于自然闪电报告的研究都是晚些时候发出的。该阵列的观测结果首次表明，在闪电的初始击穿阶段，类似于卫星观测，出现了向下的TGFs。向下的TGFs来自于一个类似于向上的TGFs。我们可以有把握地假设，我们有类似的物理现象。我们在地面上看到的东西可以帮助解释他们在卫星上看到的东西，我们可以把这些图片结合起来，以了解它发生的机理。产生伽马射线的机制还有待解决。

研究人员有很多问题没有得到解答。例如，并非所有的闪电都能产生闪光。那是因为只有一种特殊类型的闪电产生吗？科学家们只看到了TGFs的一个子集刚好足够大，或者指向正确的方向，被检测到吗？该研究小组希望能给望远镜阵列带来更多的传感器，以加强闪电测量。特别地，安装一个无线电静态探测“快速天线”将使物理学家能够看到在闪电开始时电场变化的亚结构。通过引入其他类型的雷击探测器和扩大努力，我认为我们可以成为这个领域的重要参与者。

博科园-科学科普｜参考期刊：地球物理研究｜来自：犹他大学

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