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神秘的伽马射线或能帮忙解开古老的闪电谜题

2021-10-16 18:15     来源:中科院高能所     伽马射线日本
日本的研究人员正在招募公民,一起探索地球上的风暴如何产生了极端伽马辐射暴。

日本金泽市泉丘高中的楼顶上,研究人员榎户辉扬(Teruaki Enoto)与和田有希(Yuuki Wada)迎着狂风,艰难地试着把一个四四方方的仪器固定在楼顶上。旁边的一个风向标不祥地摇摆,远处山顶浓云汇集,一切迹象都表明日本海方向正有风暴在酝酿。这正是和田和榎户想要的天气。他们安装的设备将监测雷暴产生的伽马辐射——物理学家们一直渴望了解这一神秘过程。


日本部分地区的雷暴以产生伽马射线闪和辉光而闻名。来源:Otowa Electric

作为宇宙中最高能的电磁辐射,伽马射线通常来自遥远的黑洞、超新星和其他极端的宇宙环境。它们通常是由以接近光速运行的大量电子产生的。但在20世纪80年代和90年代,物理学家发现地球上空的云层也会发出看不见的伽马射线:短而强烈的毫秒爆发和长而微弱的辉光。有些风暴不知怎的将数十亿个电子加速至接近光速,产生了这些伽马射线。“谜题在于这如何发生在地球大气层中。” 和田说,他是日本理化学研究所(RIKEN)榎户极限自然现象理研白眉研究团队(Extreme Natural Phenomena RIKEN Hakubi Research Team)的物理学家。(译注:“白眉”项目为京都大学培养和支持年轻研究者的项目。)

为了这个谜题,他在风暴渐增之时走上了楼顶。物理学家不仅希望了解这个高能过程,还希望利用这类辐射,从新视角研究雷暴的一些基本问题;甚至有人希望能利用伽马射线帮助大气科学家揭示几个世纪以来悬而未决的问题:是什么引发了闪电。

但是要捕捉这些强烈的射线并不容易。尽管卫星已经发现了成千上万的毫秒级地球伽马射线闪(TGFs),但这些测量的视角不够近,不足以详细揭示其产生机制。过去要研究地球上的TGF是有难度的,科学家只在少数几个地方观察到持续时间较长的辉光。


金泽市泉丘高中的楼顶上,研究人员和田有希和榎户辉扬及其所用的伽马射线探测器。来源:GROWTH协作/雷云项目

金泽是捕捉辉光和射线闪的最佳地点之一。该市位于日本本州岛中部的西北侧,冬季经常可以看到猛烈的雷云从西伯利亚滚滚而来,在离地面不到1公里的地方盘旋。由于云层如此之低,风暴发出的辐射可以到达地面,而不是被大气吸收。

美国新罕布什尔大学的大气物理学家Joseph Dwyer说,天体物理学家榎户领导的理研白眉实验室团队在理解这些高能现象方面正在快速取得进展。“他们是这个领域内世界一流的研究人员。”他说。

全球各地,若干地面小组正在研究来自风暴的伽马射线,包括来自大型设施的小组,这些设施旨在观测来自外层空间的高能粒子。但是,通过使用探测器网络,日本的这支小型团队已经成为世界上发现这种现象最成功的团队之一——在略显微薄的预算下,自2015以来已探测到了10次TGF和几十次辉光[1]。

和田和榎户为他们倡议的雷云项目(Thundercloud Project)制定了大计划。现在,在日本市民们的帮助下,他们正在扩大工作范围。今年,该团队将在校舍、寺庙和家庭住房里,建立由大约50个探测器组成的网络,以便他们能够捕捉到更多伽马射线,绘制事件地图,并在整个生命周期中跟踪这些事件——这是前所未有的尝试。该倡议成员、科维里宇宙物理与数学研究所的科学传播研究员一方井祐子(Yuko Ikkatai)说,该项目是日本物理学领域通过公民科学获取研究成果的首批尝试。

研究人员最终希望在全市放置数百个小型探测器。榎户说,将工作集中在金泽是一场赌博,但已经开始有回报了。他说:“我现在可高兴了。”

隐秘的闪光

1985年,美国宇航局一架载有辐射探测器的喷气式飞机穿越一场雷暴,让科学家们第一次看到了来自地球的伽马射线辉光。在电闪之前,飞机检测到从云层中发出的微弱辐射。之后在1994年,一个旨在研究宇宙的探测器——美国宇航局康普顿伽马射线天文台(Compton Gamma Ray Observatory)探测到了来自雷云的TGF:仅持续几百微秒、更亮的伽马射线暴。Dwyer说这很出乎意料,因为它源于“人人都知道宇宙中不会出现伽马射线的地方”:地球。

在宇宙的其他地方,在黑洞周围等高能环境中,带电粒子束被加速到接近光速,当粒子与气体和尘埃碰撞时产生伽马射线。在地球上,研究人员现在认为在某些类型的雷云中也会发生类似的情况,在雷云中,强电场将电子加速到极端快速。但是物理学家们不知道需要多大或多强的电场才能产生伽马射线,也不知道如何解释风暴制造TGF所需的大量电子。“目前这是一个深层的问题。”榎户说。


日本神奈川一场夏季风暴中的闪电。来源:和田有希

通常检测朝向太空TGF的卫星观察显示,这些射线闪伴随雷击出现。大约每 1000 次雷击中就有1次会产生TGF,这意味着每天地球上都会发生数千次伽马射线闪。但卫星离这类事件太远,无法提供太多细节。处在风暴上方数百公里的有利位置,快速移动的卫星可能只捕获到每次暴发的少数光子,也无法确定位置。卫星也无法发现较弱的伽马射线辉光。

飞机和气球也不是研究闪光的理想平台,因为它们会干扰自然现象,而且可能对研究人员有危险。地面上的探测器能比卫星提供更近距离的视野,但很少能足够接近风暴云,而伽马射线在击中地面之前就会被吸收。

Dwyer说:“我们很需要对这些东西进行近距离、详细的测量。”

公民科学

榎户和他的团队能接近金泽的风暴。2019年末,在新冠病毒大流行导致国际旅行中断之前,他们正在为冬季观测做准备,重新安装当季第一个探测器。在去学校的出租车上,榎户注意到鲜红的秋叶吸引着游客来到金泽著名的公共花园。他说这座城市“美丽而古老,还有美味佳肴”。不过在研究者看来,这里频繁发生的闪电和低空雷暴才是它的最佳美景。“这里的雷暴与众不同”,他说。

雷云项目始于2015年,当时榎户从待了五年的美国回来,重燃十年前对这个课题的热情。2006年,还是一名博士生的榎户和RIKEN的物理学家土屋晴文(Harufumi Tsuchiya)安装了探测器,用以探测日本海沿岸离金泽不远的核电站周围伽马射线监测站检测到的奇怪的噪音样信号。探测器证实,这种尖峰信号来自头顶上的冬季雷云[2]。

2015年回日本时,榎户的主要研究领域是X射线的宇宙来源。但他从未忘记离家更近的那些引人深思的辐射。与土屋重聚后,他开始建立一支探测器队列,在石川县金泽市和东北部新潟县的广大地区探索这些伽马射线信号。他们的计划的关键是制造便宜的桌面式伽马射线探测器,以安装在数十个地点。后来和田加入了这个团队,并领导了这款紧凑型设备的设计,该设备使用一台价值 60 美元的迷你树莓派(Raspberry Pi)电脑,加之锗酸铋晶体——这种材料在被伽马射线光子击中时会亮起。他们的实验利用了大气科学家很少使用的高能物理工具。“这是不同世界的融合”,和田说。


这款探测器将成为公民科学项目的一部分,用以捕获日本风暴产生的伽马射线辐射。来源:TAC公司/雷云项目

起初,该项目很难获得政府的研究资助,部分原因是它介于粒子物理学和大气科学之间。但是,150名支持者通过日本的研究众筹平台Academist捐赠了160万日元(合1.5万美元),该团队得以制造出第一代探测器。

在第一次行动中,研究人员在金泽及其周边城市安装了16个探测器,并在2017年取得了重大发现。他们观测到一系列能说明问题的伽马射线信号,只能是由雷暴中的核反应引起。他们里程碑式的发现证明了伽马射线可以将中子从空气中的原子中敲出,使其具有放射性[3]。这一发现证明了存在一个假设过程,该过程产生大气中的一些放射性碳-14,即研究人员在对古代材料进行碳年代测定时使用的碳同位素(参见:科学家最新发现闪电时会产生放射性同位素)。

现在,该团队正在进一步拓展,以发现更多的伽马射线事件,更好地了解是什么原因导致它们产生(见“伽马射线工厂”)。金泽是一个理想的位置,因为它有一片广阔的内陆平原,可以容纳探测器阵列,使研究人员能够跟踪来自移动的云的信号。榎户与一家私人公司合作,设计了一种更小、更便宜的探测器,他的团队计划将其分发给全市的公民科学家来安装和操作。


社交网络

每一个黄色盒子都通过GPS定位器加以标记,被称为紧凑型伽马射线监测器(Compact Gamma-ray Monitor)或CoGaMo——这是金泽当地一种小型鸭的日语名字。除了现有的探测器网络外,该团队现在还把10个CoGaMo安置在人们的花园和家中。负责协调该项目公民科学部分的一方井说,大多数参与者彼此都是朋友,消息通过一个热心的高中教师人际圈传开了。

今年晚些时候,在招募到更多的公民科学参与者之后,研究小组希望运行50个探测器,明年能有100个。探测器阵列将覆盖金泽地区,每个相隔约1公里。榎户说,虽然整个公民科学项目尚未推出,但它已经“比我最初的X射线天文学领域得到了更多的关注”。

为了招募公民科学家,该团队与天气预报公司Weathernews合作,Weathernews通过一组志愿者来拍摄和提交照片,以改善公司的实时天气预报。公众将能够使用Weathernews网络系统在风暴期间上传照片,使用CoGaMo探测器的人将在伽马射线辉光出现时收到传照片的自动提示。

榎户说,这些数据将是无价的,可以揭示事件发生期间的云结构、几何形状、大小和颜色等特征。“我想知道的大问题是,什么样的雷暴可以产生伽马射线?”他说,“我们不知道标准类型的雷暴和产生伽马射线的另类雷暴的区别是什么。”

美国国家猛烈风暴研究所(US National Severe Storms Laboratory)和俄克拉荷马大学的大气科学家Vanna Chmielewski说,公民科学家拍的照片将比雷达或其他常规方法更全面地描绘伽马射线产生时雷云的特征。她说:“老实说,公民科学是最令我兴奋的工作内容之一。”

榎户的团队希望使用探测器来了解伽马射线发射区域的大小,以及它们在时间和空间以及云的运动方面有何差异。加州大学圣克鲁斯分校的物理学家David Smith说,这个团队取得成功的一大关键是“他们能够把这些东西放在各个地方”,他从21世纪初就开始研究风暴中的高能现象。


雷暴中发生的看不见的伽马射线闪可能由雷击触发。来源:Otowa Electric

Smith及其同事与静冈大学的物理学家鸭川仁(Masashi Kamogawa)合作,在日本本土(也是金泽地区)安装了一个探测器系统。到目前为止,他们只观测到两次伽马射线闪光。但Smith的团队现在希望效仿榎户的方法,制作更小、更便宜、敏感度低一些的探测器版本,可以做上几百个远远地发出去——或许可以与理研团队合作。“那是我的梦想”,他说。

云层内部

物理学家了解辉光和TGF背后的基本过程,但仍有许多问题未解。其中一个关键要素是雷云中的强电场。当上升的气流携带冰晶向上运动碰到降落的冰雹时,两者之间的摩擦在云的不同部分独立产生带负电荷和带正电荷的粒子池,由此形成电场。这些电场是天然的粒子加速器。如果一个非常高能的电子(可能是由外太空来的宇宙射线所产生)进入云的电场,它可以克服空气摩擦,加速至接近光速[4]。

当这个电子击中空气原子,它会释放出在辉光和闪光中看到的那种伽马射线,这个过程被称为轫致辐射(bremsstrahlung radiation)。电子成倍增加,因为每次碰撞都会在连锁反应中将更多的电子从原子中敲出,从而产生粒子雪崩和伽马射线涌出[5]。

在伽马射线辉光中,这种粒子级联反应慢速发生;在TGF中,它是爆炸性的。Smith说,那就像核电站的核反应和裂变炸弹之间的区别。

奥秘在于细节。研究人员所知的加速器机制不能产生足够多的电子来产生TGF,这意味着一定有其他某种过程发挥了作用。伽马射线现象和雷电之间的联系仍然模糊不清。闪光出现在雷击开始时,可能就是由雷击触发的,而辉光可以是在闪电发生前几分钟就开始的。

榎户希望他的项目数据可以帮助增进对这些天然粒子加速器的了解。他的探测器可以检测到TGF,但闪光过于明亮,使仪器达到饱和,因此研究人员目前没法详加研究。如果目前的实地试验成功,和田希望能在CoGaMo中安装额外的探测器以更好地捕获TGF,帮助研究人员取舍关于其起源的各种观点。

研究人员提出了两种主要可能。一种假设认为,电子是在闪电“前导”的尖端释放的,闪电“前导”即在较大的可见闪电电流之前出现的狭窄导电通道。根据这个观点,在闪电前导尖端的极端电场可以电离空气,产生数以万亿计的“种子”电子。

另一种被Dwyer称为暗闪电(dark lightning)的机制假设,粒子雪崩过程本身将产生比最初认为的更多的电子,因为高能电子产生的一些伽马射线将引发全新的级联反应——粒子雪崩的雪崩。

目前,日本探测器阵列的真正优势将是探索辉光——闪光的“小表亲”。日本团队现在每年在金泽探测到多达20次辉光,并利用射频接收器的数据绘制闪电图——与使用无线电辐射探测雷击强度和位置的合作者一起,并使用雷达测量降水量和其他条件。


和田和榎户正在利用一个扩展网络,尝试捕捉伽马射线辐射的更多细节。来源:理研白眉研究团队

研究团队希望利用其探测器阵列追踪辉光移动数公里的过程,了解在风暴中产生的强电场的寿命,包括粒子加速如何开始、如何发展,以及是什么使其停止。

2019年,该团队首次决定性地呈现出增强的辉光突然终止于伽马射线闪和闪电[6]。“那是一个美丽的结果。”Smith说。对于榎户,这意味着导致辉光的高能电子流动可能会触发闪电及其相关的TGF,但研究团队需要更多的观测结果来得出前述结论。他说,这个观点是一种“激动人心的可能性”。

闪电来源

什么触发了闪电是大气科学中最大的奥秘之一。“本杰明·富兰克林几个世纪前便研究了闪电,但关于它的形成和发展,我们仍有许多不解之处。”Chmielewski说。问题是,到目前为止在风暴中看到的电场似乎太弱,无法电离空气中的原子——这个过程允许以闪电形式出现的电流连接两个分离电荷区域。

物理学家Ashot Chilingarian说,确实有证据表明,涉及到的电子雪崩可能为闪电前导开辟道路。他的团队在亚美尼亚埃里温物理研究所阿拉加茨宇宙射线研究站(位于山顶),是世界上另外唯一一个看到大量辉光的团队,他们观测到了数百次事件。他们用一个更笼统的术语——雷暴地面增强(thunderstorm ground enhancements)——来指辉光,因为他们的探测器也会检测到电子和其他撞击粒子。

闪电之所以一直是个谜,原因之一是很难安全地研究风暴云中的电场。Dwyer说,无论辉光是否起到触发作用,它们都是研究闪电的重要工具,因为它们揭示了风暴内部的情况。伽马射线告诉研究人员电场持续多久,以及强度如何。“这些是很难直接做出的测量。”Dwyer说。

此外,辉光通常以闪电结束,闪电最终通过消散电场来终止加速器。如果团队能够梳理清楚导致辉光产生闪电的条件,和田还希望能使用伽马射线信号提前几分钟预测雷击,从而可能拯救生命和保护财产。

Smith说,还有一个理由需要了解TGF的常见程度,以及什么样的闪电易触发它们:在某些情况下,它们可能很危险。辉光太弱,不会造成问题,等到TGF到达地面时,它们通常是无害的。但近距离时射线闪的威力会很强。例如,如果闪光击中飞机,“在最坏的情况下,机上的人会带着明显的辐射病症状走下飞机”,Smith说,不过幸好这事从没发生过。而且对于飞机来说,这可能不是个问题,因为它们经常触发闪电,这意味着在电场变得足够强大,足以发出伽马射线闪之前,闪电就已经被触发了。但他想知道飞机上的人是否会受到没探测到的小剂量辐射。“可能20年后导致两三例癌症,你永远不会知道。但这事很重要,我们需要有所了解”,他说。

榎户的团队正在考虑在日本客机上安装CoGaMo,看看它们是否能探测到来自空中的这种看不见的辐射。而且他们越来越多地在各种位置使用小型探测器:从2022年开始,研究团队计划在被称为立方卫星(cubesat)的小型卫星上放置鞋盒大小的CoGaMo样探测器。这有助于研究来自宇宙源的X射线辐射,它们非常明亮,足以使美国宇航局的钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory)等价值数十亿美元的望远镜达到饱和。

回到金泽市泉丘高中,将探测器成功固定到楼顶上后,和田、榎户及其同事撤回温暖的教室,很快聚过来了十几个热情的学生。他们起初很羞涩,但后来向榎户他们连珠炮似地提了一串有关探测器、辐射和当地风暴的问题——研究者们没想到会有这么多收获。和田很高兴。“我们希望这项研究能向所有人开放”,他说。
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