En el desierto del oeste de Utah, el Telescope Array se extiende por un área del tamaño de la ciudad de Nueva York, esperando los rayos cósmicos. La instalación detecta las partículas de alta energía que chocan constantemente con la atmósfera de la Tierra; los rayos cósmicos provocan los más de 500sensores una vez cada pocos minutos.
Mientras analizaban los datos en 2013, los físicos de Telescope Array descubrieron una extraña firma de partículas; el equivalente de fotones de una llovizna puntuada por una manguera contra incendios. La matriz había registrado inesperadamente un fenómeno extremadamente raro: los rayos gamma, la luz de mayor energíaondas en el espectro electromagnético, producidas por los rayos que emiten la radiación hacia la superficie de la Tierra. Cinco años más tarde, un equipo internacional dirigido por el Grupo de Rayos Cósmicos de la Universidad de Utah ha observado los llamados destellos de rayos gamma terrestres descendentes TGFs con más detalle que nunca.
The Telescope Array detectó 10 ráfagas de TGF descendentes entre 2014 y 2016, más eventos de los que se han observado en el resto del mundo combinado. El Telescope Array Lightning Project es el primero en detectar TGF descendentes al comienzo de la nube al suelorelámpagos y para mostrar dónde se originaron dentro de las tormentas eléctricas. El Telescope Array es, con mucho, la única instalación capaz de documentar la "huella" completa de TGF en el suelo, y muestra que los rayos gamma cubren un área de 3 a 5 km de diámetro.
"Lo que es realmente genial es que el Telescope Array no fue diseñado para detectarlos", dijo la autora principal Rasha Abbasi, investigadora del Instituto de Astrofísica de Alta Energía y el Departamento de Física y Astronomía de la U. "Somos 100 veces más grandesque otros experimentos, y nuestro tiempo de respuesta del detector es mucho más rápido. Todos estos factores nos dan la capacidad de la que no éramos conscientes: podemos ver los rayos de una manera que nadie más puede hacerlo ".
El estudio publicado en línea el 17 de mayo en The Journal of Geophysical Research: Atmospheres .
Un laboratorio accidentalmente perfecto
El trabajo se basa en un estudio publicado por el grupo el año pasado que estableció una fuerte correlación entre ráfagas similares de lluvias de partículas energéticas detectadas entre 2008 y 2013, y la actividad de rayos registrada por la Red Nacional de Detección de Rayos. Los físicos quedaron atónitos.
"Fue BOOM BOOM BOOM BOOM. Como, cuatro o cinco disparadores de los detectores que ocurren dentro de un milisegundo. Mucho más rápido de lo que podría esperarse por los rayos cósmicos", dijo John Belz, profesor de física en la U e investigador principal de laTelescope Array Lightning Project, financiado por la National Science Foundation. "Nos dimos cuenta eventualmente de que todos estos eventos extraños ocurrieron cuando el clima era malo. Así que miramos la Red Nacional de Detección de Relámpagos y, he aquí, habría un rayo,y en un milisegundo obtendríamos una explosión de disparadores "
Los investigadores trajeron expertos en rayos del Laboratorio Langmuir para la Investigación Atmosférica en New Mexico Tech para ayudar a estudiar los rayos con más detalle. Instalaron una matriz de mapeo de rayos de nueve estaciones desarrollada por el grupo, que produce imágenes de radio en 3-D-frecuencia de radiación que emiten los rayos dentro de una tormenta. En 2014, instalaron un instrumento adicional en el centro de la matriz, llamado "antena lenta", que registra los cambios en la carga eléctrica de la tormenta causados por la descarga del rayo.
"En conjunto, las detecciones de la matriz de telescopios y las observaciones de rayos constituyen un avance importante en nuestra comprensión de los TGF. Antes de esto, los TGF fueron detectados principalmente por satélites, con poca o ninguna información basada en tierra para indicar cómo se producen".dijo Paul Krehbiel, investigador de rayos desde hace mucho tiempo en el Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México y coautor del estudio. "Además de proporcionar una cobertura de área mucho mejor para detectar los rayos gamma, las mediciones de la matriz están mucho más cerca del TGFfuente y muestran que los rayos gamma se producen en ráfagas de corta duración, cada una de 10 a unas pocas decenas de microsegundos ".
Un fenómeno extremadamente raro
Hasta que un satélite FERMI registró el primer TGF en 1994, los físicos pensaban que solo los eventos celestes violentos, como las estrellas en explosión, podían producir rayos gamma. Poco a poco, los científicos determinaron que los rayos se produjeron en los primeros milisegundos de rayos ascendentes dentro de la nube, que emitieron rayoslos rayos hacia el espacio. Desde el descubrimiento de estos TGF hacia arriba, los físicos se han preguntado si los rayos de nube a tierra podrían producir TGF similares que se transmiten hacia la superficie de la Tierra.
Anteriormente, solo se habían registrado seis TGF descendentes, dos de los cuales provenían de experimentos de rayos inducidos artificialmente. Los cuatro estudios restantes con rayos naturales informan que los TGF se originaron mucho más tarde, después de que el rayo ya había golpeado el suelo. Las observaciones de la matriz sonel primero en mostrar que los TGF descendentes ocurren en la etapa de descomposición inicial de un rayo, similar a las observaciones satelitales.
"Los TGF descendentes provienen de una fuente similar a las ascendentes. Asumimos con seguridad que tenemos una física similar. Lo que vemos en el suelo puede ayudar a explicar lo que ven en los satélites, y podemos combinaresas imágenes para comprender el mecanismo de cómo sucede ", dijo Abbasi.
"El mecanismo que produce los rayos gamma aún no se ha descubierto", agregó Krehbiel.
¿Qué sigue?
Los investigadores tienen muchas preguntas sin responder. Por ejemplo, no todos los rayos crean los destellos. ¿Es porque solo un tipo particular de iniciación de rayos los produce? ¿Los científicos solo ven un subconjunto de TGF que es lo suficientemente grande,o apuntar en la dirección correcta, para ser detectado?
El equipo espera traer sensores adicionales al Telescope Array para mejorar las mediciones de rayos. En particular, la instalación de una "antena rápida" de detección radioestática permitiría a los físicos ver los cambios en la subestructura en el campo eléctrico al comienzo deldestello.
"Al traer otros tipos de detectores de rayos y expandir el esfuerzo, creo que podemos convertirnos en un jugador importante en esta área de investigación", dijo Belz.
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Materiales proporcionado por Universidad de Utah . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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