El huracán Patricia fue el ciclón tropical más intenso jamás registrado en el hemisferio occidental cuando se acercó a la costa oeste de México en 2015. Los investigadores detectaron un haz de positrones inverso de un destello de rayos gamma terrestre asociado con un rayo en la pared del ojo del huracán. Crédito:imagen de la NASA por Jeff Schmaltz, Respuesta rápida LANCE / EOSDIS
Huracán Patricia, que azotó la costa oeste de México en 2015, fue el ciclón tropical más intenso jamás registrado en el hemisferio occidental. En medio de la extrema violencia de la tormenta, Los científicos observaron algo nuevo:un haz descendente de positrones, la contraparte de antimateria de los electrones, creando una ráfaga de poderosos rayos gamma y rayos X.
Detectado por un instrumento a bordo del avión Hurricane Hunter de NOAA, que voló a través de la pared del ojo de la tormenta en su máxima intensidad, el haz de positrones no fue una sorpresa para los científicos de UC Santa Cruz que construyeron el instrumento. Pero fue la primera vez que alguien observó este fenómeno.
Según David Smith, profesor de física en UC Santa Cruz, el haz de positrones era el componente descendente de un destello de rayos gamma terrestre ascendente que enviaba una breve ráfaga de radiación al espacio por encima de la tormenta. Los destellos de rayos gamma terrestres (TGF) fueron vistos por primera vez en 1994 por detectores de rayos gamma basados en el espacio. Ocurren junto con los rayos y ahora se han observado miles de veces por satélites en órbita. Un haz de positrones inverso fue predicho por modelos teóricos de TGF, pero nunca había sido detectado.
"Esta es la primera confirmación de esa predicción teórica, y muestra que los TGF están perforando la atmósfera de arriba a abajo con radiación de alta energía, ", Dijo Smith." Este evento podría haberse detectado desde el espacio, como casi todos los demás TGF informados, como un rayo ascendente causado por una avalancha de electrones. Lo vimos desde abajo debido a un rayo de antimateria (positrones) enviado en la dirección opuesta ".
Investigadores de los laboratorios SCIPP en UC Santa Cruz construyeron el Detector Aerotransportado para Emisiones Energéticas de Rayos (ADELE) mark II para observar los TGF de cerca midiendo los rayos X y los rayos gamma de los aviones que vuelan hacia o por encima de las tormentas eléctricas. Crédito:Gregory Bowers
Una implicación inesperada del estudio, publicado el 17 de mayo en el Revista de investigación geofísica : Atmósferas , es que muchos TGF podrían detectarse a través del haz de positrones inverso utilizando instrumentos terrestres a grandes altitudes. No es necesario volar hacia el ojo de un huracán.
"Lo detectamos a una altitud de 2,5 kilómetros, y calculé que nuestros detectores podrían haberlo visto hasta 1,5 kilómetros. Esa es la altitud de Denver por lo que hay muchos lugares donde, en teoría, podría verlos si tuviera un instrumento en el lugar correcto en el momento adecuado durante una tormenta eléctrica, "Dijo Smith.
A pesar de la confirmación del haz de positrones inverso, Muchas preguntas siguen sin resolverse sobre los mecanismos que impulsan los TGF. Los campos eléctricos fuertes en las tormentas eléctricas pueden acelerar los electrones hasta cerca de la velocidad de la luz, y estos electrones "relativistas" emiten rayos gamma cuando se dispersan de los átomos en la atmósfera. Los electrones también pueden eliminar otros electrones de los átomos y acelerarlos a altas energías, creando una avalancha de electrones relativistas. Un TGF, que es un destello extremadamente brillante de rayos gamma, requiere una gran cantidad de avalanchas de electrones relativistas.
"Es un evento extraordinario, y todavía no entendemos cómo se pone tan brillante "Dijo Smith.
El ADELE mark II voló a bordo del Hurricane Hunter WP-3D Orion de la NOAA durante la temporada de huracanes del Atlántico. Crédito:Gregory Bowers
La fuente de los positrones, sin embargo, es un fenómeno bien conocido en física llamado producción de pares, en el que un rayo gamma interactúa con el núcleo de un átomo para crear un electrón y un positrón. Como tienen cargas opuestas, son acelerados en direcciones opuestas por el campo eléctrico de la tormenta. Los positrones que se mueven hacia abajo producen rayos X y rayos gamma en su dirección de viaje cuando chocan con los núcleos atómicos, al igual que los electrones que se mueven hacia arriba.
"Lo que vimos en el avión son los rayos gamma producidos por el haz de positrones hacia abajo, "Dijo Smith.
Primer autor Gregory Bowers, ahora en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, y la coautora Nicole Kelley, ahora en Swift Navigation, Ambos eran estudiantes de posgrado en UC Santa Cruz cuando trabajaron juntos en el instrumento que hizo la detección. El detector aerotransportado para emisiones energéticas de rayos (ADELE) mark II fue diseñado para observar los TGF de cerca midiendo los rayos X y los rayos gamma de los aviones que vuelan hacia o por encima de las tormentas eléctricas.
Acercarse demasiado a un TGF podría ser peligroso, aunque el riesgo disminuye rápidamente con la distancia a la fuente. La dosis de rayos gamma a una distancia de un kilómetro sería insignificante, Dijo Smith. "Es hipotéticamente un riesgo, pero las probabilidades son bastante pequeñas, ", dijo." No les pido a los pilotos que vuelen hacia las tormentas eléctricas, pero si van a ir de todos modos, pondré un instrumento a bordo ".
El grupo de Smith fue el primero en detectar un TGF desde un avión utilizando un instrumento anterior, la marca ADELE I. En ese caso, el rayo ascendente del TGF se detectó por encima de una tormenta. Para este estudio, el ADELE mark II voló a bordo del Hurricane Hunter WP-3-D Orion de la NOAA durante la temporada de huracanes del Atlántico.