Un destello de rayos gamma terrestre ( TGF ), también conocido como relámpago oscuro , es una explosión de rayos gamma producida en la atmósfera de la Tierra. Se ha registrado que los TGF duran entre 0,2 y 3,5 milisegundos y tienen energías de hasta 20 millones de electronvoltios . Se especula que los TGF son causados por campos eléctricos intensos producidos por encima o dentro de las tormentas eléctricas . Los científicos también han detectado positrones y electrones energéticos producidos por destellos de rayos gamma terrestres. [1] [2]
Los destellos de rayos gamma terrestres fueron descubiertos por primera vez en 1994 por BATSE , o Burst and Transient Source Experiment, en el Observatorio de Rayos Gamma Compton , una nave espacial de la NASA . [3] Un estudio posterior de la Universidad de Stanford en 1996 relacionó un TGF con un rayo individual que ocurrió unos pocos milisegundos después del TGF. BATSE detectó solo una pequeña cantidad de eventos de TGF en nueve años (76), debido a que se había construido para estudiar los estallidos de rayos gamma del espacio exterior, que duran mucho más.
A principios de la década de 2000, el satélite Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager ( RHESSI ) observó rayos de luz de gran tamaño con energías mucho más altas que las registradas por BATSE. [4] Los datos de RHESSI llevaron a los científicos a estimar que ocurren aproximadamente 50 rayos de luz por día, [5] más de lo que se pensaba anteriormente, pero que aún representan solo una fracción muy pequeña del total de rayos en la Tierra (3 a 4 millones de eventos de rayos por día en promedio). Unos años más tarde, los científicos que utilizaron el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA , que fue diseñado para monitorear los rayos gamma, estimaron que alrededor de 500 rayos de luz ocurren diariamente en todo el mundo, pero la mayoría pasan desapercibidos. [6]
Aunque los detalles del mecanismo son inciertos, hay un consenso sobre los requisitos físicos. Se presume que los fotones TGF son emitidos por electrones que viajan a velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz que chocan con los núcleos de los átomos en el aire y liberan su energía en forma de rayos gamma ( bremsstrahlung [7] ). Grandes poblaciones de electrones energéticos pueden formarse por crecimiento de avalancha impulsado por campos eléctricos , un fenómeno llamado avalancha de electrones desbocada relativista (RREA). [8] [9] El campo eléctrico probablemente es proporcionado por un rayo, ya que se ha demostrado que la mayoría de los TGF ocurren dentro de unos pocos milisegundos de un evento de rayo (Inan et al. 1996). [10] [11] [12] Más allá de esta imagen básica, los detalles son inciertos. Investigaciones recientes han demostrado que el electrón-electrón ( Bremsstrahlung ) [13] conduce primero a un enriquecimiento de electrones de alta energía y posteriormente aumenta el número de fotones de alta energía.
Algunos de los marcos teóricos estándar se han tomado prestados de otras descargas asociadas a rayos, como los sprites, los chorros azules y los elfos , que se descubrieron en los años inmediatamente anteriores a las primeras observaciones de TGF. Por ejemplo, ese campo puede deberse a la separación de cargas en una nube de tormenta (campo "DC") a menudo asociado con sprites, o debido al pulso electromagnético (EMP) producido por una descarga de rayo, a menudo asociado con elfos. También hay alguna evidencia de que ciertos TGF ocurren en ausencia de rayos, aunque en las proximidades de la actividad general de rayos, lo que ha evocado comparaciones con los chorros azules.
El modelo de campo DC requiere una carga muy grande en la nube de tormenta para crear campos suficientes a grandes altitudes (por ejemplo, 50-90 km, donde se forman los sprites). A diferencia del caso de los sprites, estas grandes cargas no parecen estar asociadas con los rayos que generan TGF. [10] Por lo tanto, el modelo de campo DC requiere que el TGF se produzca más abajo, en la parte superior de la nube de tormenta (10-20 km), donde un campo local puede ser más fuerte. Esta hipótesis está respaldada por dos observaciones independientes. En primer lugar, el espectro de los rayos gamma vistos por RHESSI coincide muy bien con la predicción de una fuga relativista a 15-20 km. [14] En segundo lugar, los TGF están fuertemente concentrados alrededor del ecuador de la Tierra en comparación con los rayos. [15] (También pueden estar concentrados sobre el agua en comparación con los rayos en general). Las cimas de las nubes de tormenta son más altas cerca del ecuador y, por lo tanto, los rayos gamma de los TGF producidos allí tienen más posibilidades de escapar de la atmósfera. La implicación entonces sería que hay muchos TGF de menor altitud que no se ven desde el espacio, particularmente en latitudes más altas.
Una hipótesis alternativa, el modelo EMP [16] , relaja el requisito de carga de la nube de tormenta pero, en su lugar, requiere un pulso de corriente grande que se mueva a una velocidad muy alta. La velocidad del pulso de corriente requerida es muy restrictiva y aún no hay ningún respaldo observacional directo para este modelo.
Otro mecanismo hipotético es que los TGF se producen dentro de la propia nube de tormenta, ya sea en los fuertes campos eléctricos cerca del canal del rayo o en los campos estáticos que existen sobre grandes volúmenes de la nube. Estos mecanismos dependen de la actividad extrema del canal del rayo para iniciar el proceso (Carlson et al. 2010) o de una fuerte retroalimentación que permita que incluso eventos aleatorios de pequeña escala desencadenen la producción. [17] El Monitor de Interacciones Atmósfera-Espacio (ASIM), dedicado a medir simultáneamente las señales ópticas de los rayos y las señales de los destellos de rayos gamma terrestres, reveló que los TGF suelen estar asociados a los destellos ópticos, lo que sugiere firmemente que los electrones relativistas como precursores de los TGF se producen en los fuertes campos eléctricos en la proximidad de los canales de los rayos. [18] [19]
Se ha sugerido que los TGF también deben lanzar haces de electrones y positrones altamente relativistas que escapan de la atmósfera, se propagan a lo largo del campo magnético de la Tierra y precipitan en el hemisferio opuesto. [20] [21] Algunos casos de TGF en RHESSI, BATSE y Fermi-GBM han mostrado patrones inusuales que pueden explicarse por dichos haces de electrones/positrones, pero tales eventos son muy inusuales.
Los cálculos han demostrado que los TGF pueden liberar no solo positrones, sino también neutrones y protones. [22] [23] Los neutrones ya se han medido en descargas eléctricas, [24] mientras que no hay confirmación experimental de protones relacionados con descargas (2016). Investigaciones recientes han demostrado que la fluencia de estos neutrones se encuentra entre 10 −9 y 10 −13 por ms y por m 2 dependiendo de la altitud de detección. La energía de la mayoría de estos neutrones, incluso con energías iniciales de 20 MeV, disminuye hasta el rango de keV en 1 ms. [23]
Los destellos de rayos gamma terrestres plantean un desafío a las teorías actuales sobre los rayos, especialmente con el descubrimiento de las claras señales de antimateria producida en los rayos. [25]
En los últimos 15 años se ha descubierto que entre los procesos que se producen en los rayos hay algún mecanismo capaz de generar rayos gamma , que escapan de la atmósfera y son observados por naves espaciales en órbita. Descubiertos por Gerald Fishman de la NASA en 1994 en un artículo en Science , [3] estos llamados destellos de rayos gamma terrestres (TGFs) fueron observados por accidente, mientras documentaba casos de estallidos de rayos gamma extraterrestres observados por el Observatorio de Rayos Gamma Compton (CGRO). Sin embargo, los TGF tienen una duración mucho más corta, ya que duran solo alrededor de 1 ms.
El profesor Umran Inan de la Universidad de Stanford relacionó un TGF con un rayo individual que ocurrió dentro de los 1,5 ms posteriores al evento TGF, [26] demostrando por primera vez que el TGF era de origen atmosférico y estaba asociado con rayos.
El CGRO registró sólo unos 77 eventos en 10 años; sin embargo, más recientemente, la nave espacial Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI), según informó David Smith de la UC Santa Cruz , ha estado observando TGF a una tasa mucho mayor, lo que indica que estos ocurren alrededor de 50 veces al día a nivel mundial (todavía una fracción muy pequeña del total de rayos en el planeta). Los niveles de energía registrados superan los 20 MeV.
Los científicos de la Universidad de Duke también han estado estudiando el vínculo entre ciertos eventos de relámpagos y las misteriosas emisiones de rayos gamma que emanan de la atmósfera de la Tierra, a la luz de las observaciones más recientes de los TGF realizadas por RHESSI. Su estudio sugiere que esta radiación gamma se origina en puntos de partida a altitudes sorprendentemente bajas en las nubes de tormenta.
Steven Cummer, de la Escuela de Ingeniería Pratt de la Universidad de Duke , dijo: "Se trata de rayos gamma de mayor energía que los que provienen del Sol. Y, sin embargo, aquí provienen del tipo de tormenta terrestre que vemos aquí todo el tiempo". [27]
Las primeras hipótesis al respecto apuntaban a que los rayos generaban campos eléctricos elevados y provocaban avalanchas de electrones relativistas a altitudes muy por encima de las nubes, donde la delgada atmósfera permite que los rayos gamma escapen fácilmente al espacio, de forma similar a como se generan los sprites . Sin embargo, pruebas posteriores han sugerido que los TGF pueden producirse impulsando avalanchas de electrones relativistas dentro de las nubes de tormenta altas o justo por encima de ellas. Aunque se ven obstaculizadas por la absorción atmosférica de los rayos gamma que escapan, estas teorías no requieren los rayos excepcionalmente intensos en los que se basan las teorías de generación de TGF a gran altitud.
El papel de los TGF y su relación con los rayos sigue siendo un tema de estudio científico continuo.
En 2009, el telescopio espacial de rayos gamma Fermi , en órbita terrestre, observó una intensa explosión de rayos gamma correspondiente a la aniquilación de positrones que salía de la formación de una tormenta. Los científicos no se habrían sorprendido de ver unos pocos positrones acompañando a cualquier explosión intensa de rayos gamma, pero el relámpago detectado por Fermi parecía haber producido unos 100 billones de positrones. Esto fue informado por los medios de comunicación en enero de 2011 y nunca antes se había observado. [28] [29]
El Monitor de Interacciones Atmósfera-Espacio (ASIM), un experimento dedicado a estudiar los TGF, se lanzó a la Estación Espacial Internacional el 2 de abril de 2018 y se montó en la Instalación de Carga Externa Columbus el 13 de abril de 2018. [30]
