Un rivelatore di superficie a matrice di telescopi e i suoi vicini, schierato nel deserto occidentale dello Utah. I 507 rivelatori sono disposti su una griglia che copre 700 chilometri quadrati, all'incirca come l'area territoriale di New York City. Credito:collaborazione Telescope Array
Nel deserto occidentale dello Utah, il Telescope Array si estende su un'area delle dimensioni di New York City, aspettando i raggi cosmici. La struttura rileva le particelle ad alta energia che si scontrano costantemente con l'atmosfera terrestre; i raggi cosmici attivano gli oltre 500 sensori una volta ogni pochi minuti.
Pur riversando i dati nel 2013, I fisici di Telescope Array hanno scoperto una strana traccia di particelle; l'equivalente fotonico di una pioggerellina leggera punteggiata da una manichetta antincendio. L'array aveva inaspettatamente registrato un fenomeno estremamente raro:raggi gamma, le onde luminose a più alta energia dello spettro elettromagnetico, prodotto da fulmini che irradiano la radiazione verso il basso verso la superficie terrestre. Cinque anni dopo, un team internazionale guidato dal Cosmic Ray Group dell'Università dello Utah ha osservato i cosiddetti lampi di raggi gamma terrestri verso il basso (TGF) in modo più dettagliato che mai.
Il Telescope Array ha rilevato 10 raffiche di TGF verso il basso tra il 2014 e il 2016, più eventi di quelli osservati nel resto del mondo messi insieme. Il Telescope Array Lightning Project è il primo a rilevare i TGF verso il basso all'inizio del fulmine nuvola-terra, e per mostrare dove hanno avuto origine all'interno dei temporali. Il Telescope Array è di gran lunga l'unica struttura in grado di documentare l'intera "impronta" del TGF sul terreno, e mostra che i raggi gamma coprono un'area di 3-5 km di diametro.
"La cosa veramente interessante è che il Telescope Array non è stato progettato per rilevarli, " ha detto l'autore principale Rasha Abbasi, ricercatore presso l'Istituto di Astrofisica delle Alte Energie e il Dipartimento di Fisica e Astronomia presso l'U. "Siamo 100 volte più grandi di altri esperimenti, e il tempo di risposta del nostro rilevatore è molto più veloce. Tutti questi fattori ci danno la capacità di cui non eravamo a conoscenza:possiamo guardare i fulmini in un modo che nessun altro può fare".
Lo studio pubblicato online il 17 maggio in The Journal of Geophysical Research:Atmospheres .
Un laboratorio accidentalmente perfetto
Il lavoro si basa su uno studio pubblicato dal gruppo lo scorso anno che ha stabilito una forte correlazione tra esplosioni simili di piogge di particelle energetiche rilevate tra il 2008 e il 2013, e l'attività dei fulmini registrata dalla National Lightning Detection Network. I fisici rimasero sbalorditi.
"Era BOOM BOOM BOOM BOOM. Come, quattro o cinque trigger dei rilevatori che si verificano entro un millisecondo. Molto più veloce di quanto ci si potrebbe aspettare dai raggi cosmici, " ha detto John Belz, professore di fisica presso l'U e ricercatore principale del Telescope Array Lightning Project, finanziato dalla National Science Foundation. "Alla fine ci siamo resi conto che tutti questi strani eventi si sono verificati quando il tempo era brutto. Quindi, abbiamo esaminato la National Lightning Detection Network e, basso ed ecco, ci sarebbe un fulmine, e in un millisecondo otterremmo una raffica di trigger."
I ricercatori hanno coinvolto esperti di fulmini del Langmuir Laboratory for Atmospheric Research presso il New Mexico Tech per studiare i fulmini in modo più dettagliato. Hanno installato un Lightning Mapping Array a nove stazioni sviluppato dal gruppo, che produce immagini 3D di radiazioni a radiofrequenza che i fulmini emettono all'interno di un temporale. Nel 2014, hanno installato uno strumento aggiuntivo al centro dell'array, chiamata "antenna lenta", che registra i cambiamenti nella carica elettrica del temporale causati dalla scarica del fulmine.
Il brillante lampo di luce è solo uno stadio del fulmine; c'è una sottostruttura che accade troppo velocemente per essere vista dall'occhio. 'Step leader' procedono verso il suolo in più fasi. La carica elettrica negativa si accumula sulla punta del leader finché non è sufficiente a provocare la rottura dell'aria e a formare un nuovo percorso conduttivo. Lo studio ha scoperto che i raggi gamma terrestri vengono prodotti entro i primi 1-2 millisecondi della fase di rottura iniziale, che è la parte meno compresa del fulmine. Credito:National Oceanography and Atmospheric Administration
"Presi insieme, i rilevamenti del Telescope Array e le osservazioni dei fulmini costituiscono un importante progresso nella nostra comprensione dei TGF. Prima di questo, I TGF sono stati rilevati principalmente dai satelliti, con pochi o nessun dato a terra per indicare come vengono prodotti", disse Paul Krehbiel, ricercatore di lunga data presso il New Mexico Institute of Mining and Technology e coautore dello studio. "Oltre a fornire una copertura dell'area molto migliore per il rilevamento dei raggi gamma, le misurazioni dell'array sono molto più vicine alla sorgente TGF e mostrano che i raggi gamma sono prodotti in burst di breve durata, ciascuno dura solo da dieci a poche decine di microsecondi."
Un fenomeno estremamente raro
Fino a quando un satellite FERMI registrò il primo TGF nel 1994, i fisici pensavano solo a violenti eventi celesti, come stelle che esplodono, potrebbe produrre raggi gamma. Gradualmente, gli scienziati hanno determinato che i raggi sono stati prodotti nei millisecondi iniziali del fulmine intranube verso l'alto, che irradiava i raggi nello spazio. Da quando ho scoperto questi TGF verso l'alto, i fisici si sono chiesti se i fulmini nuvola-terra potrebbero produrre TGF simili che irradiano verso il basso verso la superficie terrestre.
In precedenza, sono stati registrati solo sei TGF ribassisti, due dei quali provenivano da esperimenti di fulmini indotti artificialmente. I restanti quattro studi con fulmini naturali riportano che i TGF si sono originati molto più tardi, dopo che il fulmine aveva già colpito il suolo. Le osservazioni dell'array sono le prime a mostrare che i TGF verso il basso si verificano nella fase iniziale di rottura del fulmine, simile alle osservazioni satellitari.
"I TGF discendenti provengono da una fonte simile a quelli ascendenti. Assumiamo con sicurezza di avere una fisica simile in corso. Ciò che vediamo a terra può aiutare a spiegare ciò che vedono nei satelliti, e possiamo combinare quelle immagini per capire il meccanismo di come accade, ", ha detto Abbassi.
"Il meccanismo che produce i raggi gamma deve ancora essere scoperto, " ha aggiunto Krehbiel.
Qual è il prossimo
I ricercatori hanno molte domande rimaste senza risposta. Per esempio, non tutti i fulmini creano i lampi. È perché solo un particolare tipo di iniziazione fulminea li produce? Gli scienziati stanno vedendo solo un sottoinsieme di TGF che sembra essere abbastanza grande, o puntare nella giusta direzione, essere rilevato?
Il team spera di portare sensori aggiuntivi al Telescope Array per migliorare le misurazioni dei fulmini. In particolare, l'installazione di una "antenna veloce" di rilevamento radiostatico consentirebbe ai fisici di vedere la sottostruttura nei cambiamenti del campo elettrico all'inizio del flash.
"Portando altri tipi di rilevatori di fulmini e ampliando lo sforzo, Penso che possiamo diventare un attore significativo in questo settore di ricerca, " ha detto Belz.
