Серед наукових загадок, які досі таїть атмосфера нашої планети, є й така: яскраві і короткі спалахи гамма-випромінювання в верхніх її шарах. Наскільки нам відомо, для таких подій потрібно потужне джерело енергії, в космосі вони пов'язані з чорними дірами або подібними їм «екстремалами», але звідки їм взятися на нашій, загалом-то, спокійній Землі? Щоб з'ясувати це, в політ відправляється місія Firefly.
Легко уявити собі заклопотаність фізиків, коли в середині 1990-х гамма-спалахи були зареєстровані в безпосередніх околицях Землі, навіть нижче, ніж проходить межа космосу. Відтоді про такі «навколоземні» гамма-спалахи (Terrestrial Gamma-ray Flashes, TGF) вдалося дізнатися дуже небагато. З іншого боку, є дані, що спалахи якось пов'язані з грозами в атмосфері, але достовірно цей зв'язок, як і її механізм, не встановлені.
«Насправді, до 1990-х взагалі ніхто і не підозрював, що TGF існують, - пояснює Даг Роуланд (Doug Rowland), - хоча потенційно вони можуть служити найпотужнішими прискорювачами частинок на нашій планеті». Дійсно, в такому спалаху окремі частинки купують величезну енергію, іноді більше 20 МеВ. Для порівняння: енергія частинок, що викликають масштабне явище полярних сяйв, менше в тисячі разів.
Словом, сьогодні про TGF питань куди більше, ніж відповідей. Що викликає ці спалахи? У чому полягає їхній зв'язок з грозовими блискавками - чи стимулюють вони появу розрядів, чи навпаки? Чи пов'язані TGF з «постачанням» високоенергетичних частинок в радіаційний пояс Землі, де вони стають небезпечними для супутників на орбіті?
Щоб дати відповідь хоча б на частину з цих питань, вчені, в тому числі і Дуглас Роуланд, готують до запуску невеликий супутник, який отримав романтичну назву Firefly, тобто «світлячок». За планом, старт має відбутися цього або наступного року. Мініатюрні розміри дозволяють фахівцям вкластися в скромну суму 1 млн доларів (тоді як типова «середня» орбітальна місія обходиться в сотню разів дорожче). Заощадити можна і на запуску: апарат може бути виведений в космос в рамках програми C^ Sat, як «довісок» при запуску звичайних великих супутників.
Якщо все пройде, як задумано, Firefly незабаром надішле перші дані. Для початку він спробує провести одночасні спостереження блискавок і гамма-спалахів, причому з близької відстані і спеціально підготовленою апаратурою. Адже досі TGF'и вивчалися майже «випадково», супутниками, які створювалися для дослідження гамма-сплесків в далекому космосі - такими, як орбітальна гамма-обсерваторія Compton, яка якраз і відкрила TGF'и в 1994 р. Їх спільні спостереження дозволяють поки що скласти лише дуже приблизну - і дуже цікаву - картину того, як відбуваються гамма-спалахи в нашому.
Грозові процеси в атмосфері створюють потужні і швидко мінливі електромагнітні поля, які простягаються високо в дальні її шари. Ці поля розганяють вільні електрони до навколосвітніх швидкостей. Такі «снаряди» стикаються з ядрами атомів газу, при цьому викидаючи гамма-випромінювання - і нові вільні електрони, які беруть участь у каскаді подій.
Варто зауважити, що для неозброєного ока TGF - штука куди більш нудна, ніж сама гроза. Левова частка енергії цієї події викидається в гамма-діапазоні, для нашого зору недоступному. Вони не призводять до появи яскравих спалахів або сяйва. Принаймні, безпосередньо - адже можливо, саме вони є зародками блискавок, які вже являють собою досить цікаве видовище.
Адже вченим досі мало відомо про ту крихітну мить, яка запускає атмосферний розряд. Судячи з усього, турбулентні потоки всередині грозової хмари призводять до поділу електрично заряджених частинок, породжуючи величезну напругу. Але розрахунки показують, що напруга, яка потрібна для іонізації молекул у повітрі і створення першої «іскри», раз приблизно в 10 більше, ніж те, що ми спостерігаємо в глибині неспокійної грозової хмари. «Ми знаємо, як хмара заряджається, - зауважує Даг Роуланд, - ми не знаємо, як вона розряджається».
Можливо, саме гамма-спалахи і стають тією «іскрою», з якої розгорається полум'я розряду блискавки. Якщо це так, то у верхніх шарах атмосфери має постійно генеруватися досить значна кількість TGF, більше, ніж, за поточними даними, з'являється. Дані телескопа Compton і його «колег» показують, що в день над Землею відбувається менше 100 спалахів. За той же день земні грози призводять до мільйонів ударів блискавок. Розрив очевидний.
Однак не варто впадати у відчай: все-таки, ні Compton, ні інші орбітальні гамма-телескопи не створювалися для спостереження атмосферних гамма-спалахів. До того ж, повітря, як середовище, досить ефективно, поглинає гамма-випромінювання (на щастя: тим самим він захищає нас від цього небезпечного виду променів). Досить ймовірно, що наші апарати просто не всі вловлюють - і спостереження «світлячка» Firefly дозволять заповнити цей пробіл.
Взагалі, блискавки - одне з найбільш вражаючих, але і найбільш загадкових явищ природи. Читайте про них (і про перспективи їх бойового використання) в нашій статті «Секретна зброя богів».
За інформацією NASA