کشف انتشار پرتوهای پادماده به سوی زمین در چشم طوفان

 دانشمندان پرتوهای پادماده را که در ناحیه چشم یک طوفان به سمت زمین منفجر می‌شوند، شناسایی کردند.

به گزارش ایسنا و به نقل از گیزمگ، محققان در جدیدترین مطالعه خود دریافته‌اند که پرتوهای پادماده(ضد ماده) در ناحیه "چشم طوفان" به سوی زمین پرتاب و منفجر می‌شوند.

چشم طوفان ناحیه‌ای است با هوای آرام که در میانه طوفان‌های شدید گرمسیری ایجاد می‌شود.

چشم طوفان پهنه‌ای تقریبا دایره‌وار، همراه با باد نسبتا سبک و هوای صاف است که با «چشم‌دیواره» محصور می‌شود. قطر چشم طوفان معمولا بین 30 تا 65 کیلومتر می‌باشد.

چشم‌دیواره، دیواره‌ای از ابرهای کومولونیمبوس است که چشم طوفان را دربرمی‌گیرد. چشم‌دیواره جایی است که حلقه‌ای از تندرهای بلندبالا و توفنده در آن قرار دارند و شدیدترین هوای طوفانی در آن رخ می‌دهد.

کم‌ترین فشار جوی طوفان در چشم آن پدید می‌آید و این فشار می‌تواند تا 15 درصد کمتر از فشار جوی منطقه بیرون از طوفان باشد.

اگر چه طوفان پاتریشیا یکی از قوی‌ترین طوفان‌هایی بود که تاکنون ثبت شده بود، اما اداره ملی اقیانوسی و جوی (NOAA) را از پرواز مستقیم هواپیماهای پژوهشی به میان آن بازنداشت.

در حال حاضر، محققان یافته‌های خود را، از جمله تشخیص انفجار یک پرتو پادماده به زمین، به همراه تشعشع اشعه ایکس و پرتو گاما گزارش شده است.

دانشمندان در سال 1994 "پرتوهای گامای زمینی"(TGFs) را کشف کردند. این امواج توسط ابزارهای طراحی شده برای تشخیص انتشار اشعه گاما از فضای عمیق صورت گرفت که متوجه سیگنال‌های منتشره از زمین شدند.

این پرتوها بعدها با طوفان‌ها مرتبط دانسته شدند و بعد از هزاران مشاهده و بررسی، به عنوان بخش‌های عادی از اصابت رعد و برق در نظر گرفته شدند.

مکانیزم‌هایی که در پشت این انتشار قرار دارند، هنوز در هاله‌ای از ابهام هستند، اما روایت اصلی می‌گوید: اول، میدان‌های الکتریکی قدرتمند در رعد و برق باعث می‌شود که الکترون‌ها تقریبا به سرعت نور برسند.

همینطور که این الکترون‌ها با انرژی زیاد، اتم‌های دیگر را در هوا پراکنده می‌کنند، الکترون‌های دیگر را هم تسریع می‌کنند و به سرعت یک بهمن از آنچه که به نام الکترون‌های نسبیتی شناخته می‌شود، ایجاد می‌کنند.

همه این برخوردها نیز پرتوهای گاما منتشر می‌کنند و زمانی که این انتشار به اندازه کافی در آنِ واحد اتفاق می‌افتد، می‌توانند یک "TGF" بسیار درخشان ایجاد کنند.

اما یک عارضه نیز وجود دارد و آن ایجاد پادماده است. هنگامی که اشعه‌های گاما با هسته اتم در هوا برخورد می‌کنند، یک الکترون و معادل پادماده آن، یعنی"پوزیترون" را ایجاد می‌کند و آنها را در جهت‌های مختلف پخش می‌کند.

پادماده(Antimatter) مانند ماده از ذراتی به نام ضد ذره تشکیل شده که با ذرات معمولی فرق دارند. در ضد ماده بار هسته منفی و بار ذرات مداری مثبت است که معکوس ماده است.

به عنوان مثال ذره‌ای به نام پوزیترون وجود دارد که تمام ویژگی‌هایش به جز بار الکتریکی مشابه الکترون است. پوزیترون حامل بار مثبت است در حالی که بار الکترون منفی است. البته نباید پوزیترون را با ذره باردار مثبت دیگر، یعنی پروتون اشتباه گرفت. پروتون تقریبا 2 هزار بار سنگین‌تر از الکترون است.

به علاوه، پروتون دارای زیر ساختارهایی به نام کوارک است. از طرف دیگر، پوزیترون هم‌جرم الکترون است و تا آنجا که می‌دانیم پوزیترون و الکترون هیچ‌کدام دارای زیر ساختار نیستند.

فیزیکدانان ذرات، پوزیترون را پادماده الکترون می‌دانند.

در برخوردهای با انرژی بالا، بخشی از انرژی جنبشی به ماده تبدیل می‌شود و می‌توان با انتخاب مناسب ذرات برخوردکننده، پادذره‌ها را تولید کرد.

نشانه‌های وجود پادماده در گذشته در طوفان‌ها دیده شده است، اما یک پدیده خاص به نام پرتو معکوس پوزیترون که ذره‌های پادماده را به سمت پایین می‌فرستد، تنها با مدل‌های TGF پیش‌بینی شده است.

حداقل تا زمانی که هواپیمای شکارچی طوفان سازمان ملی اقیانوسی و جوی در سال 2015 به پاتریشیا برخورد کند، یک وسیله به نام شناساگر هوایی برای انتشارات شدید رعد و برق(ADELE) برای اندازه‌گیری اشعه‌های ایکس و گاما در TGFها طراحی شده بود.

اما با پرواز این هواپیما به دل طوفان پاتریشیا، محققان به روشنی نشانه‌های پرتو معکوس پوزیترون را از چشم طوفان مشاهده کردند.

"دیوید اسمیت"، نویسنده این مطالعه می‌گوید: این اولین تأیید پیش‌بینی نظری TGFها است و نشان می‌دهد که TGFها جو را از بالا به پایین با پرتو پرانرژی می‌شکافند.

محققان می‌گویند در آینده این ابزارها ممکن است نیازی به شناور بودن در طوفان نداشته باشند تا این تشخیص‌ها را انجام دهند.

"اسمیت" افزود: ما آن را در ارتفاع 2.5 کیلومتری شناسایی کردیم و من تخمین می‌زنم که آشکارسازهای ما توانسته باشند آن را از ارتفاع 1.5 کیلومتری مشاهده کرده باشند. بنابراین بسیاری از مکان‌ها مستعد مشاهده این پدیده هستند، به شرطی که شما یک ابزار رصدی را در جای مناسب و در زمان مناسب در طول یک رعد و برق به کار بگیرید.

این تحقیق در مجله تحقیقات ژئوفیزیکی(Geophysical Research) منتشر شده است.