Fulmini, macchina fotografica, raggi gamma! – Organizzazione Tecnologica

Nel settembre 2021, un temporale senza precedenti si è abbattuto sul deserto occidentale dello Utah. I fulmini di questa tempesta hanno prodotto almeno sei lampi di raggi gamma che si sono irradiati verso il basso sulla superficie terrestre e hanno attivato i rilevatori del Telescope Array guidato dall’Università dello Utah. La tempesta era degna di nota di per sé: la schiera di solito ne registra uno o due raggi gamma innescati dai fulmini all’anno, ma i recenti aggiornamenti hanno portato a una nuova osservazione da parte del Serie di telescopi scienziati e i loro fulminanti collaboratori.

Fulmine catturato con la fotocamera ad alta velocità a 40.000 fotogrammi al secondo. Credito immagine: Rasha Abbasi

Per la prima volta in assoluto, hanno catturato riprese video di lampi di raggi gamma terrestri verso il basso (TGF) innescati da fulmini. Una telecamera speciale che funziona a 40.000 fotogrammi al secondo ha fornito uno sguardo senza precedenti su come i raggi gamma esplodono verso il basso sulla superficie terrestre dai fulmini tra le nuvole e il suolo. Hanno scoperto che non solo venivano prodotti più raggi gamma in fasi di fulmine più tardive di quanto si pensasse in precedenza, ma i raggi erano anche associati a un impulso di luce ottica che non era mai stato registrato.

“Questo è un passo importante nella ricerca sui fulmini che potrebbe portarci alla fisica che produce questi raggi gamma verso il basso”, ha affermato l’autore principale Dr. Rasha Abbasi, ora assistente professore di fisica alla Loyola University di Chicago. Abbasi ha iniziato la ricerca sui TGF come studioso post-dottorato presso l’Università dello Utah.

Lo studio pubblicato nelle lettere di revisione geofisica.

Telescope Array Collaborative è leader nel settore

I raggi gamma non sono uno scherzo. Le onde luminose a più alta energia nello spettro elettromagnetico possono staccare gli elettroni dagli atomi e causare gravi danni alle cellule umane. Fino a quando il satellite BATSE non rilevò il primo lampo di raggi gamma terrestre nel 1994, gli scienziati pensavano che solo eventi galattici come l’esplosione di stelle potessero produrre raggi gamma. Nel corso del tempo, i fisici hanno determinato che i TGF venivano prodotti nei primi millisecondi dei fulmini intranuvolosi ascendenti, che irradiavano i raggi nello spazio. Da quando hanno scoperto i TGF verso l’alto, i ricercatori hanno cercato di comprendere il fenomeno più raro dei TGF verso il basso, quando i fulmini nuvola-terra producono raggi gamma che si irradiano verso la superficie terrestre.

Le osservazioni da terra sono ideali per studiare i TGF discendenti perché si trovano a pochi chilometri dai temporali stessi.

“La capacità del Telescope Array Surface Detector di rilevare i TGF verso il basso è un ottimo esempio di serendipità nella scienza”, ha affermato Giovanni Belz, professore di fisica e astronomia all’U e coautore dello studio. “Il TASD è stato progettato per studiare la fisica delle astroparticelle, studiando gli sciami di particelle prodotti dai nuclei atomici energetici provenienti dallo spazio profondo. Per puro caso, gli sciami di astroparticelle condividono molte proprietà, tra cui energia, durata e dimensioni, con gli sciami di raggi gamma noti come TGF discendenti. Quindi, in un certo senso, siamo in grado di gestire due strutture scientifiche all’avanguardia al prezzo di una”.

I collaboratori del Telescope Array dell’Università dello Utah, della Loyola University di Chicago, del Langmuir Laboratory for Atmospheric Research del New Mexico Tech e dell’Istituto Nazionale per la Ricerca Spaziale del Brasile (INPE), hanno installato una suite di strumenti di illuminazione sull’esistente Telescope Array, un griglia terrestre di rilevatori di superficie progettati principalmente per osservare raggi cosmici ad altissima energia.

Le fasi dell’illuminazione che hanno innescato i raggi gamma terrestri. Credito immagine: Abbasi et al., 2023.

L’impianto copre un’area grande quanto New York City ed è il più grande del suo genere nell’emisfero settentrionale. I gruppi hanno aggiunto un sistema di mappatura dei fulmini, un interferometro a banda larga ad altissima velocità, un’antenna veloce che misura la variazione del campo elettrico durante il lampo e, più recentemente, molteplici videocamere ad alta velocità.

“In un secondo, i tuoi occhi vedono un lampo: tutto qui. Questi strumenti misurano la variazione del campo elettrico durante l’intero lampo che avviene in un batter d’occhio”, ha detto Abbasi. “Siamo interessati alla scienza dell’iniziazione dei raggi gamma. Quale stadio del fulmine produce i raggi gamma? Perché i raggi gamma si verificano in correlazione con alcuni fulmini, ma non in altri?

Gli sforzi hanno dato i loro frutti. Lo studio ha analizzato uno di questi eventi TGF. Hanno identificato che il lampo nuvola-terra con il TGF osservato era formato dal veloce leader discendente del fulmine, seguito da un intenso colpo di ritorno. Il TGF si è verificato mentre il leader discendente si stava già ramificando ben al di sotto della base della nube, addirittura a metà della sua propagazione al suolo.

“Questa nuova scoperta è una conseguenza della collaborazione tra fisici delle astroparticelle e scienziati dei fulmini”, ha affermato Marcelo Saba, coautore dello studio presso l’INPE. “È entusiasmante unire gli sforzi”.

Qual è il prossimo?

L’enorme impronta del Telescope Array è abbastanza grande da rilevare gli sciami di particelle che piovono su un’ampia area della superficie terrestre. Le sue oltre 500 stazioni di rilevamento della superficie coprono 700 km² (~270 miglia²) fuori Delta, Utah, nella parte sud-occidentale dello stato. È in procinto di espandersi fino a quattro volte la sua dimensione originale. I ricercatori si aspettano che l’espansione, oltre ai sensori di fulmini recentemente installati, sbloccherà nuove scoperte.

“Ad esempio, i TGF verso il basso e i TGF verso l’alto rappresentano manifestazioni diverse dello stesso fenomeno e condividono un’origine comune? È possibile ottenere il rilevamento simultaneo di TGF ascendenti e discendenti? In quali condizioni meteorologiche i temporali producono TGF? Quali sono i meccanismi fisici sottostanti che collegano più stadi di fulmine all’avvio del TGF?” – chiese Abbasi. “Speriamo di rilevare più eventi per rispondere a queste domande ancora senza risposta”.

Fonte: Università dell’Utah