Khoảnh khắc hai dòng điện va chạm với nhau để tạo thành tia sét đã được ghi lại, lần đầu tiên tiết lộ vai trò của quá trình này trong việc tạo ra các tia gamma mạnh ngay tại Trái đất.
Cách sét tạo tia gamma
Quan sát này xác nhận giả thuyết rằng các tia gamma trên mặt đất, hay TGF, liên quan đến sét là kết quả của một trường điện mạnh làm tăng tốc các electron lên gần bằng tốc độ ánh sáng.
Trong các quan sát được thực hiện tại Thành phố Kanazawa thuộc Tỉnh Ishikawa của Nhật Bản, một nhóm các nhà nghiên cứu do nhà vật lý Yuuki Wada của Đại học Osaka dẫn đầu đã sử dụng thiết lập đa cảm biến tiên tiến để ghi lại các tia sét va chạm ở chuyển động chậm trên nhiều bước sóng.
Wada giải thích rằng “Khả năng nghiên cứu các quá trình cực đoan như TGF bắt nguồn từ sét cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình năng lượng cao xảy ra trong bầu khí quyển của Trái đất“.
Mặc dù sự hình thành sét từ mây xuống đất diễn ra nhanh chóng, nhưng nó không diễn ra ngay lập tức và cần phải có đường đi được tạo ra bởi một tia sét dẫn. Không khí tự nhiên không dẫn điện tốt, nhưng sự tích tụ điện tích trong khí quyển do hoạt động của bão có thể tạo ra một kênh không khí ion hóa mà dòng điện có thể chạy qua. Đây là một tia sét dẫn, và chúng có thể xuất hiện từ đám mây xuống dưới hoặc từ mặt đất lên trên.
Người ta cho rằng TGF là kết quả của quá trình tăng tốc của các electron lên gần tốc độ ánh sáng trong các trường điện mạnh do giông bão tạo ra. Các chuỗi này được gọi là trận lở electron chạy trốn tương đối tính và chúng được chấp nhận là lời giải thích cho TGF.
Khi electron đột ngột giảm tốc, bị lệch hướng do va chạm với các hạt nhân nguyên tử trong khí quyển, sự mất năng lượng biểu hiện dưới dạng tia gamma – một dạng bức xạ giảm tốc được gọi là bức xạ bremsstrahlung.
Các nhà nghiên cứu đã thiết lập một thiết bị trên mặt đất để theo dõi sét trên các bước sóng vô tuyến, quang học và năng lượng cao, có thể thu thập thông tin chi tiết trên thang thời gian micro giây.
Thật hấp dẫn, kết quả của họ cho thấy TGF và sét không xảy ra đồng thời; thay vào đó, TGF xảy ra trước tia sét. Nhưng chúng ta đang nói về những khoảng thời gian cực kỳ nhỏ; đối với mắt con người, chúng hoàn toàn có vẻ như xảy ra đồng thời. Chỉ với thiết bị hiện đại, chúng ta mới có thể nhìn thấy thực tế.
Nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy hai tia sét chính, một tia mang điện tích âm và lao xuống từ đám mây giông xuống một tháp truyền hình trên mặt đất, tia còn lại mang điện tích dương và uốn lượn lên từ tháp.
Ngay trước khi hai luồng điện tích trái dấu gặp nhau, một trường điện tập trung cao xuất hiện giữa chúng, trong đó các electron được tăng tốc đến tốc độ tương đối tính.
Photon tia gamma đầu tiên được phát hiện chỉ 31 micro giây – 31 phần triệu giây – trước khi các luồng điện tích va chạm. Toàn bộ vụ nổ TGF kéo dài cho đến 20 micro giây sau khi các luồng điện tích gặp nhau để tạo thành tia sét.
Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học quan sát và ghi lại quá trình này, cung cấp cái nhìn sâu sắc mới và rất chi tiết về cách các cơn bão sét có thể tạo ra đủ năng lượng tạo ra bức xạ gamma – dạng ánh sáng mạnh nhất trong quang phổ điện từ.
Nhà vật lý Harufumi Tsuchiya thuộc Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Nhật Bản cho biết: “Các quan sát đa cảm biến được thực hiện ở đây là lần đầu tiên trên thế giới“. “Mặc dù vẫn còn một số bí ẩn, nhưng kỹ thuật này đã đưa chúng ta đến gần hơn với việc hiểu cơ chế của các vụ nổ bức xạ hấp dẫn này“.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science Advances.
