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