Un destello de rayos gamma terrestre ( TGF ), también conocido como relámpago oscuro , es una explosión de rayos gamma producida en la atmósfera terrestre. 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 intensos campos eléctricos producidos encima o dentro de las tormentas . Los científicos también han detectado positrones y electrones energéticos producidos por destellos de rayos gamma terrestres. [1] [2]
Los destellos terrestres de rayos gamma fueron descubiertos por primera vez en 1994 por BATSE , o Experimento de fuentes transitorias y de ráfagas, en el Observatorio Compton de rayos gamma , una nave espacial de la NASA . [3] Un estudio posterior de la Universidad de Stanford en 1996 vinculó un TGF con un rayo individual que ocurrió dentro de unos pocos milisegundos después del TGF. BATSE detectó sólo un pequeño número de eventos de TGF en nueve años (76), debido a que fue construido para estudiar estallidos de rayos gamma procedentes del espacio exterior, que duran mucho más.
A principios de la década de 2000, el satélite Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager ( RHESSI ) observó TGF con energías mucho más altas que las registradas por BATSE. [4] Los datos de RHESSI llevaron a los científicos a estimar que aproximadamente 50 TGF ocurren cada día, [5] más de lo que se pensaba anteriormente, pero todavía representa solo una fracción muy pequeña del total de rayos en la Tierra (3 a 4 millones de rayos por día en promedio). ). Unos años más tarde, los científicos que utilizaron el telescopio espacial Fermi de rayos gamma de la NASA , que fue diseñado para monitorear los rayos gamma, estimaron que alrededor de 500 TGF ocurren diariamente en todo el mundo, pero la mayoría pasan desapercibidas. [6]
Aunque los detalles del mecanismo son inciertos, existe un consenso sobre los requisitos físicos. Se supone 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] ). Se pueden formar grandes poblaciones de electrones energéticos mediante el crecimiento de avalanchas impulsadas por campos eléctricos , un fenómeno llamado avalancha relativista de electrones descontrolados (RREA). [8] [9] Es probable que el campo eléctrico sea proporcionado por un rayo, ya que se ha demostrado que la mayoría de los TGF ocurren dentro de unos pocos milisegundos después 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 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 duendes, chorros azules y elfos , que se descubrieron en los años inmediatamente anteriores a las primeras observaciones del TGF. Por ejemplo, ese campo puede deberse a la separación de cargas en una nube de tormenta (campo "DC") a menudo asociado con duendes, o al pulso electromagnético (EMP) producido por la descarga de un rayo, a menudo asociado con elfos. También hay evidencia de que ciertos TGF ocurren en ausencia de rayos, aunque cerca de la actividad general de los rayos, lo que ha provocado comparaciones con los chorros azules.
El modelo de campo de CC requiere una carga de nube de tormenta muy grande para crear campos suficientes en altitudes elevadas (por ejemplo, entre 50 y 90 km, donde se forman los duendes). A diferencia del caso de los duendes, estas grandes cargas no parecen estar asociadas con rayos que generan TGF. [10] Por lo tanto, el modelo de campo de CC requiere que el TGF se produzca más abajo, en la parte superior de la nube de tormenta (10 a 20 km), donde un campo local puede ser más fuerte. Esta hipótesis está respaldada por dos observaciones independientes. En primer lugar, el espectro de rayos gamma visto 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 concentrarse 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 la carga de las nubes de tormenta, pero en su lugar requiere un gran pulso de corriente que se mueve a muy alta velocidad. La velocidad del pulso actual requerida es muy restrictiva y todavía no existe ningún apoyo 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 en grandes volúmenes de la nube. Estos mecanismos dependen de una actividad extrema del canal del rayo para iniciar el proceso (Carlson et al. 2010) o de una fuerte retroalimentación para permitir que incluso eventos aleatorios de pequeña escala desencadenen la producción. [17] El Monitor de Interacciones Atmósfera-Espacio (ASIM), dedicado a medir simultáneamente señales ópticas de relámpagos y señales de destellos de rayos gamma terrestres, reveló que los TGF generalmente están asociados con destellos ópticos, lo que sugiere fuertemente que los electrones relativistas como precursores de los TGF son producido en los fuertes campos eléctricos en las proximidades de los canales del rayo. [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 tales haces de electrones/positrones, pero tales eventos son muy inusuales.
Los cálculos han demostrado que los TGF pueden liberar no sólo 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 la descarga (2016). Investigaciones recientes han demostrado que la fluencia de estos neutrones se sitúa 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 terrestres de rayos gamma plantean un desafío a las teorías actuales sobre los rayos, especialmente con el descubrimiento de firmas claras de antimateria producida en los rayos. [25]
Se ha descubierto en los últimos 15 años que entre los procesos de los rayos hay algún mecanismo capaz de generar rayos gamma , que escapan de la atmósfera y son observados por las naves espaciales en órbita. Sacados a la luz por Gerald Fishman de la NASA en 1994 en un artículo en Science , [3] estos llamados destellos de rayos gamma terrestres (TGF) fueron observados por accidente, mientras él documentaba casos de estallidos de rayos gamma extraterrestres observados por el Observatorio Compton de Rayos Gamma (CGRO). Sin embargo, los TGF tienen una duración mucho más corta y duran sólo alrededor de 1 ms.
El profesor Umran Inan de la Universidad de Stanford vinculó un TGF con un rayo individual que ocurrió dentro de 1,5 ms del evento de TGF, [26] demostrando por primera vez que el TGF era de origen atmosférico y estaba asociado con rayos.
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 lo informado por David Smith de UC Santa Cruz , ha estado observando TGF a un ritmo mucho más alto, lo que indica que ocurren alrededor de 50 veces por día en todo el mundo (todavía un 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 rayos y las misteriosas emisiones de rayos gamma que emanan de la propia atmósfera de la Tierra, a la luz de nuevas observaciones de TGF realizadas por RHESSI. Su estudio sugiere que esta radiación gamma se proyecta hacia arriba desde puntos de partida en altitudes sorprendentemente bajas en las nubes de tormenta.
Steven Cummer, de la Escuela de Ingeniería Pratt de la Universidad de Duke , dijo: "Estos son 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 apuntaban a que los rayos generaban campos eléctricos elevados y provocaban avalanchas de electrones desbocados relativistas en altitudes muy por encima de la nube, donde la fina atmósfera permite que los rayos gamma escapen fácilmente al espacio, de forma similar a la forma en que se generan los duendes . Sin embargo, evidencia posterior ha sugerido que los TGF pueden producirse impulsando avalanchas de electrones relativistas dentro o justo por encima de nubes de tormenta altas. Aunque se ven obstaculizadas por la absorción atmosférica de los rayos gamma que se 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 en curso.
En 2009, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi en órbita terrestre observó una intensa explosión de rayos gamma correspondiente a aniquilaciones de positrones provenientes de una formación de tormenta. Los científicos no se habrían sorprendido al ver algunos positrones acompañando a cualquier intenso estallido de rayos gamma, pero el relámpago detectado por Fermi parecía haber producido alrededor de 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 útil externa de Columbus el 13 de abril de 2018. [30]
