Každý okamžik na Zemi zuří okolo 18 tisíc bouří. Nejintenzivnější blesky, které je doprovázejí, mohou být zdrojem záblesků pozemského gama záření, v literatuře označovaných zkratkou TGF - terrestrial gamma-ray flash. Denně jich na různých částech Země vzniká odhadem okolo 500, z čehož vyplývá, že zdaleka ne každá bouře je jejich zřídlem. Toto pozemské gama blikání je signálem, že v horních vrstvách atmosféry vznikají pozitrony, tedy elektronové antičástice. O tom je přesvědčen tým vědců, kteří měření sondy Fermi analyzují.
Jak vznikají pozemské záblesky gama záření
Blesk je extrémně silný výboj mezi opačnými statickými náboji naakumulovanými v různých výškových horizontech bouřkových mraků, nebo mezi mraky a povrchem země. V jeho dráze se na desítky mikrosekund (na asi 30 miliontin sekundy) vytváří elektrické napětí o stovkách milionů voltů, které vyvolá výboj s proudem i deset tisíc ampérů. Když při intenzivní bouřce dochází k výbojům v obrovských mracích, silný elektrický pulz může urychlit elektrony letící vzhůru do řídké vrchní vrstvy atmosféry až na rychlost blízkou rychlosti světla. Náhodné střety s atomy vzduchu tyto vysokoenergetické elektrony vychýlí z původní dráhy a vedlejším produktem srážky je vyzáření gama kvanta – tedy fotonu s vysokou energií. Právě to je pozemský gama záblesk, TGF - terrestrial gamma-ray flash. Zaregistrovat ho může i sonda Fermi kroužící okolo Země po nízké oběžné dráze ve výšce 550 km. Jejím hlavním posláním není lov pozemských, ale kosmických gama fotonů. Pozemské gama záblesky jsou vlastně rušivým šumem. Ne ale zcela nechtěným.
Fermi „vidí“ i vzdálené bouře
Vznikem TGF ale celý příběh nekončí. I takový gama-foton má jistou, i když malou šanci, že se mu do cesty připlete nějaký ten atom. Srážka foton promění na pár pozitron – elektron. Dráhu těchto nabitých částic, vznikajících ve výšce nad 15 km, neovlivňují jen podmínky jejich zrodu, protože na ně působí i magnetické pole naší planety a nutí je sledovat směr siločar. A to – opět díky obrovské náhodě – může být cesta k jejich objevu, jež vědce potěší, ale antičástici zahubí. Když se totiž pozitron na své pouti okolo Země podél magnetické siločáry zcela náhodně potká se sondou Fermi, anihiluje v kontaktu s některým jejím elektronem. Dvojice se opět promění na gama záblesk. Tím se ale sonda, která gama záření měří, na nepředstavitelně krátký okamžik stane sama jeho zdrojem. Detektor gama záblesků zaregistruje signál s energií 511 000 elektronvoltů odpovídajících osudové srážce pozitronu s elektronem. Při troše štěstí se sondě v následujících zlomcích sekundy podaří zachytit další podobné, ze stejného nebo i opačného směru přicházející gama záblesky, jež také vznikly anihilací antičástice s hmotou.
Jak se do textu dostal ten opačný směr? Když okolo Fermiho proletí více pozitronů, štafetových běžců vyslaných stejnou vzdálenou bouří sledujících směr magnetického pole jako běžeckou dráhu, některé z nich v bodě, ve kterém parametry pole působí jako magnetické zrcadlo (na obrázku vpravo mirror point) udělají čelem vzad a mohou potkat sondu na této zpáteční cestě. Podobná situace se odehrála před rokem, 14. prosince 2009. Sonda Fermi právě prolétala nad územím Egypta, přesto zaregistrovala důsledky 4 400 kilometrů vzdálené silné bouře nad Zambií. Právě díky zmíněnému mechanismu vzniku gama kvanta vyzářeného srážejícím se elektronem, proměny tohoto gama záblesku na dvojici částice – antičástice a následné anihilace pozitronu, při které vzniká opět gama záblesk. Fermi tehdy v průběhu 23 milisekund zaregistroval anihilaci pozitronu přilétajícího ze směru od bouřky, vzápětí i pozitronu vracejícího se ze zrcadlového bodu.
„Tyto signály jsou prvním přímým důkazem, že bouře produkují částice antihmoty,“ říká Michael Briggs z Alabamské university, člen týmu projektu Fermi. Včera výsledky analýz prezentoval na setkání Americké astronomické společnosti, které v těchto dnech probíhá v Seattlu. Za dva a půl roku měření sondy Fermi se vědcům v jejích záznamech podařilo identifikovat 130 záblesků TGF. Ve většině případů je satelit „viděl“ přímo, protože se nacházel nad oblastí bouře. Čtyřikrát se mu ale podařilo ze vzdálenosti tisíců kilometrů zaregistrovat až sekundární gama záření zrozené v anihilaci částice s antičásticí.
Zajímavá chvilka angličtiny s NASA – i s titulky (Kredit: NASA/Goddard Space Flight Center/J. Dwyer, Florida Inst. of Technology):
Zdroj: NASA press release
Diskuze:
Nehádejte se jako kohouti na smetišti,
Jan Blažej,2011-06-02 00:14:36
vůbec nezáleží na tom, jestli je jeden víc našprtanej než druhej, ale o podstatu, která je stejně jiná. Kde je záření gama 511keV, tam je anihilace. Anihilovat může jen e+p nebo neutrino, které se skládá z e+p v těsné rotaci. Uvědomte si, že prostor je tvořen strukturou neutrin (na to bych našel více pádných podporujících důkazů). Přetížená neutrina (přenosem nebo i překročením el.pevnosti vakua či vzduchu) se mohou rozpadnout na e+p a anihilovat. Neutrino může anihilovat i rychlou srážkou s jádrem např. plynu - vzduchu. Berte prosím i toto v úvahu. Důkaz si provedete snadno - překročte el. pevnost vakua a snímejte záření gama (nebo záření nabuzených atomů vlivem záření gama). Pokud ho zaznamenáte, je to jasný důkaz existence neutrinové struktury. Děkuji a nashledanou.
Zavádějící údaje:
JiříVesecký EgonEgon,2011-01-14 02:08:50
Opravdu nevím jak to hezky říci ale popis vzniku TGF zde uvedený je trochu nepřesný.
„CITACE: V jeho dráze se na desítky mikrosekund (na asi 30 miliontin sekundy) vytváří elektrické napětí o stovkách milionů voltů, které vyvolá výboj s proudem i deset tisíc ampérů“. V dráze blesku se žádné napětí nevytváří prostě tam a postupně narůstá „vlastně ve chvíli vzniku výboje začíná prudce klesat“. Při určité úrovní napětí dojde k překročení mezní izolační pevností vzduchu „danou mnoha faktory teplota tlak vlhkost množstvím prachových částic atd..“. Dojde k vytvoření ionizovaného kanálu kterým protéká proud směrem danou polaritou nábojů vrstev. Doba výboje je silně závislá na hmotnosti rozdílových vrstev délka výboje může být až několik vteřin. Proudový tok může dosahovat u stratosférických výbojů několik desítek MA. Pro běžné bouřkové blesky je proudový tok maximálně 300kA to je pro nás samozřejmě dobře.
Dle mého názoru TGF vniká v situacích kdy je proudová hustota ideální o velikost pod 3MA „nad touto proudovou hustotu nejsou dobré podmínky dochází k fluktuacím a deformacím výboje vlivem nehomogenit v extrémně silném vlastním magnetickém poli “. Takto ideální výboj je fokusován jednak vlastním magnetickým polem a silným napětím na koncích výboje. Vznikne pinch ve kterém jsou elektrony a případně ionty ještě dodatečně urychlovány elektrickým polem v řádech 100MV. Tímto procesem jsou elektrony urychleny na rychlostí blízké světlu a takto získaly vysokou energii nad MeV.
„CITACE: Srážka foton promění na pár pozitron – elektron.“ Nemusí se jednat o srážku stačí přiblížení na dosah Coulombické síly jádra.
„CITACE: Tím se ale sonda, která gama záření měří, na nepředstavitelně krátký okamžik stane sama jeho zdrojem.“ Nevím jak vy ale pro mě je představitelný časový úsek až na úrovní atto sekund. Je ale pravdou že rychlost vyčítání z LAT u Fermi jsme nezjistil bude minimálně v ms.
Jinak samozřejmě nic ve zlém ale jistě je lepší preferovat kvalitu nad kvantitou.
Dagmar Gregorova,2011-01-14 04:08:13
:) živě si představuji, jak by Vaším způsobem byl napsán popularizační, pro "laika" pochopitelný článek :)
"Nemusí se jednat o srážku stačí přiblížení na dosah Coulombické síly jádra" ... a to je jak daleko od toho jádra? Mimo poloměr celého atomu?
Jdu si představovat rozdíl mezi atto a milisekundou, abych věděla, od jaké hranice mám používat slovní spojení "nepředstavitelně krátký okamžik"... Anihilace jednoho pozitronu uvolní jedno gama kvantum. To za milisekundu proletí 300 km. Když vznikne přímo na plášti sondy, za jak douho doletí do jejího detektoru?
Jestli se Vám informace jeví jako zavádějící, nečtěte článek, ale otevřete si rovnou původní zprávu NASA - hyperlink je pod článkem. Držím palce, aby jste se z ní dověděl víc a mnohem přesněji uvedených info. A pak je ještě možnost dohledat si originální odborný článek. Měl se v těchto dnech objevit v nějakém geofyz. časopisu.
Re: Dagmar Gregorova
JiříVesecký EgonEgon,2011-01-15 19:01:10
To je asi pravda ale při popularizaci by se neměli měnit hlavní principy a fyzikální hodnoty.
Pak taková popularizace ztrácí smysl a je vlastně kontraproduktivní pro čtenáře :-).
Je dáno učiním průřezem v barm „10-28 m2“ který se mění s energii gama fotonu. Je dáno mnoha parametry a jadernými výpočty.
„od jaké hranice mám používat slovní spojení nepředstavitelně krátký okamžik“ od žádné hranice i takto krátký děj lze měřit případně spočítat jedná se o časové intervaly v desítkách až stovkách pikosekund.
„Když vznikne přímo na plášti sondy, za jak dlouho doletí do jejího detektoru“ Tady je to špatně pochopeno nejde o to jak krátkou dobu děj trvá ale o rychlost vyčítaní detektorů na Fermi. Jedná se vlastně o vzorkovací frekvenci vyčítání z detektorů. Pokud je tento interval kratší než vzorkovací frekvence Fermi událost přesto zaznamená. Ale již nelze rozlišit zda šlo o jednu nebo více událostí za sebou po stejné dráze. Například je možné že Fermi je schopen rozlišit spršky pozitronů pokud rozestupy mezi nimi nejsou větší než třeba 150km „vzorkovací frekvence 2kHz, interval 0.5 milisekund “. Tento parametr může být i řádově vyšší nevím. Fermi ale není rozhodně schopen změřit skutečný čas zániku pozitronu 140 pikosekund a není k tomu ani určen.
Jinak při čtení z nasa.gov se korekcím opravu nevyhnete často jsou tam také pěkné nesmysly.
Dagmar Gregorova,2011-01-16 06:39:42
když se Vám popularizace na Oslu zdá být zavádějící a plná nesmyslů, proč ho vlastně čtete? Abyste dokazoval, že si umíte něco nastudovat? Tak pište! Ale ukázkové popularizační články!
Když napíšu, že se sonda sama stane na nepředstavitelně krátký okamžik zdrojem gama záření, tak to přece není doba, v níž je signál zpracován detektory. Je to okamžik anihilace pozitronu s elektronem na jejím plášti.
A nebudu se ani hádat, jak daleko se k jádru toho -kterého atomu musí přiblížit gama foton, aby se proměnil na pozitron-elektronový pár. Vy, stejně jako já víte, že pojem "srážka" s tímto atomem není vůbec zavádějící. Že fotonu nestačí si jen tak proletět "těsně vedle" celého atomu.
Ale když potřebujete mít pravdu za každou cenu, mějte si ji :) Já se mezitím budu věnovat dalšímu děsnému zavádění...
Egon Egon
Jirka Ondrasek,2011-01-16 08:57:38
Opravdu nevím jak to hezky říci. Ale být na Vašem místě asi bych požádal redakci o korekci svých příspěvků, docela se Vám povedlo hodně čtenářů rozesmát. Ta výtka termínu srážka se Vám povedla :). Ani následné mlžení se vám nepodařilo a jen jste do toho zabředl dalším povedeným omylem a popletl si čas zpracování signálu. Nic ve zlém ale měl byste preferovat kvalitu nad kvantitou.
RE:Jirka Ondrasek
JiříVesecký EgonEgon,2011-01-18 03:45:29
Opakování textu z mého příspěvku mne těší. Říká se opakování matkou moudrosti je ale vždy dobré překvapit vlastní zajímavou myšlenkou. Smích je velmi zdraví ale nesmí být bezdůvodný. Pokud jsou v článku chyby tak má každý možnost se vyjádřit. K popisu vzniku TGF a parametrů atmosférických výbojů k tomu jistě důvod byl. Musím Vás ale zklamat čas zpracování signálu LAT s délkou děje přeměny pozitronu jsem si nesplet o tom vím. Reakce byla na text v příspěvku a nikoli článku. Pokud se Vám osobně líbí termín nepředstavitelně krátký tak my prosím vysvětlete proč. Osobně mám radši přesný údaj případně vyjádření v dnešní době nezměřitelný. Z těchto důvodu je dobré preferovat kvalitu nad kvantitou.
Jen pro doplnění
Vladimír Wagner,2011-01-11 14:41:41
Zemská atmosféra je stálým zdrojem záření gama i antičástic. Ty totiž vznikají při srážkách částic vysokoenergetického kosmického záření s atmosferou. To byl třeba i jeden z důvodů, proč se muselo s detekcí gama záření z vesmíru čekat až na kosmické sondy a proč už pro první identifikaci gama záření z vesmíru se muselo zajistit identifikace a odečtení těch, které přicházejí ze Země. Proto je zdrojem gama záření i Měsíc (interakce kosmického záření s jeho povrchem. Více o vesmírném gama v podrobném článku, který jsem napsal pro Astropis: http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/neutrina/gamaastropis.htm . Toto záření je však zhruba homogení v čase a izotropní z hlediska směru od Země. To je rozdíl od gama záblesků, jejichž původcem mohou být bouře.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
