Земные молнии рождают антиматерию

Орбитальный гамма-телескоп GLAST (англ. Gamma-ray Large Area Space Telescope, «космический гамма-телескоп большой площади») во время наблюдений за космосом сделал вполне земное открытие.

Два с половиной года назад американцы вывели в космос обсерваторию для наблюдения самых энергичных фотонов Вселенной – гамма-квантов. После старта телескоп GLAST получил имя итальянско-американского физика Энрико Ферми. Основная цель миссии -- сбор данных о процессах и объектах, в которых выделяется набольшее количество энергии. К таким объектам, в первую очередь, относятся сверхмассивные черные дыры, интенсивно пожирающие окружающее вещество в центрах галактик.

Гамма-грозы

Однако рождаться гамма-лучи могут не только во вселенских катаклизмах, но и в обыкновенных грозах, причем рождаться одновременно с антиматерией. Ученым известно, что грозы иногда сопровождаются так называемыми земными гамма-вспышками (англ. Terrestrial gamma-ray flash, TGF). Такие вспышки возникают на Земле примерно 500 раз в день. Много это или мало, сказать сложно. Известно лишь, что не каждая гроза рождает гамма-вспышку, ведь каждую секунду на планете бушует около двух тысяч гроз.

В первые 8 месяцев работы телескоп Fermi зарегистрировал 130 вспышек TGF. В большинстве случаев обсерватория оказывалась примерно над грозой, гамма-излучение от которой он регистрировал.

Однако 14 декабря 2009 года члены миссии Fermi наблюдали странное явление. Пролетая над Египтом, приборы телескопа зафиксировали вспышку, возникшую в тысячах километров за горизонтом – в Замбии. Несколько раз пронаблюдав подобные явления, феномен смогли объяснить ученые из университета Алабамы под руководством Майкла Бриггса. «Хотя Fermi и не видит бурю, он все-таки связан с ней магнитными линиями. Вспышка TGF рождает высокоэнергичные электроны и позитроны, которые седлают магнитные линии и ударяют по спутнику», -- пояснил соавтор исследования Джозеф Дуайер.

Антиматерия из-за горизонта

Ученые показали, что сложный процесс начинается благодаря сильному электрическому полю, возникающему между слоями атмосферы при грозе. Сначала это поле ускоряет электроны до околосветовых скоростей. Сталкиваясь с атомами в атмосфере, электроны порождают энергичные фотоны -- гамма-кванты. Обычно эти кванты и регистрируются как вспышки TGF. Однако изредка такие фотоны сами встречают на своем пути ядра атомов, в электрическом поле которых превращаются в пару частиц. Одна из них – отрицательно заряженный электрон, вторая – представитель антиматерии, положительно заряженный позитрон.

«Выбившись» из атмосферы, новые частицы продолжают движение, наматываясь на силовые линии магнитного поля Земли. Двигаясь по этой траектории, частицы могут достичь высоты околоземных спутников, в том числе обсерватории Fermi. Сталкиваясь со вполне материальным телескопом, позитроны аннигилируют и рождают гамма-фотоны. Так телескоп становится источником излучения, которое сам и регистрирует. Большая доля частиц продолжает движение по магнитной линии, отражается от так называемой зеркальной точки и летит обратно. Благодаря этому через 23 миллисекунды после первой вспышки обычно регистрируется вторая.

«Эти сигналы – первое доказательство того, что в грозах рождаются пучки частиц антиматерии», -- пояснил Майкл Бриггс. Ранее ученые имели дело с антиматерией либо в составе космических лучей, либо в лабораторных условиях. Об открытии Бриггс доложил на встрече Американского астрономического общества в Сиэтле.