印度科学家发现最强带电雷云,或有助于解释一个未解之谜

撰文:ADAM MANN

   1752年,当费城上空的云团越来越多时,Benjamin Franklin站在户外,做了一个简单的风筝实验,证明了闪电的带电性。250多年后的今天,科学家们终于发现了关于雷暴巨大威力的惊人秘密。  

  在来自太空的带电粒子的帮助下,印度的一个研究小组首次准确测量了巨型雷云的电性能,发现这种云团所含的能量是此前任何测量过的雷云所含能量的10倍。随着研究者发现宇宙和地球事件之间的新联系,新发现可能有助于解开高能物理学中一个存在了25年的谜团。

  自2001年以来,印度乌达加曼达兰的物理学家一直在使用GRAPES-3望远镜监测被称为μ介子的亚原子粒子。当来自遥远宇宙的宇宙射线撞击地球的上层大气时,这些自然产生的粒子流就会降落到地球上。
  
  有趣的是,在4-6月以及9-11月期间,高灵敏度的GRAPES-3望远镜经常检测到μ介子流的强度稍微减弱,而这两段时间内恰逢亚热带地区的降雨量达到峰值。
 
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  “对我们来说,这更像是一个有趣的插曲,不是什么严肃的事情,”研究合作者、印度孟买塔塔基础研究所的高能物理学家Sunil Gupta说,其研究团队上个月在《物理评论快报》上介绍了这项研究工作。“我们研究的是高能宇宙射线和星际空间,而不只是雷暴。”
 
巨大的电量

  μ介子携带负电荷,这意味着其运动路径会受到电场影响。Gupta想知道这个特性是否可用于计算雷云所包含的能量。
  
  早在1929年,获得过诺贝尔奖的物理学家Charles Thomson Rees Wilson就测量了雷云内部的电场,发现其电场大得惊人,达到每公分5000伏特。这意味着,可绵延数公里的雷暴云,其总电势应该在1千兆伏特左右,相当于近10亿节5号电池。

  不过,测量一个物体的电压通常需要将两根导线放于物体的两端,但没人知道如何对像云这样的大型无定形物体做到这一点。科学家曾利用飞机和气球在雷暴云中飞行,在不同的地点测量电压,结果发现电势为数千万伏特,此前测量的最大电势为1.3亿伏特。

  新研究的合作者Balakrishnan Hariharan设计了一个模型,该模型确定了改变GRAPES-3望远镜中检测到的μ介子数所需要的电场强度。反过来,研究团队可以利用μ介子观测数目来估测实验上方云层内的电场强度。

  在GRAPES-3的数据中,研究人员在三年时间里观察了184次雷暴的电效应。μ介子表明,2014年12月1日出现的一次雷暴,其瞬时电势接近1.8千兆伏特。Gupta说,这足够为整个纽约市提供半个小时的电量。

  “在地面上实现如此高的电压几乎不可能,”他补充说。“不过,大自然似乎知道如何毫不费力地做到这一点。”
 
危险的放电

  基于μ介子的测量涉及大面积的雷暴云,因此要比用飞机或气球测量的结果更精确。这意味着之前的数据可能被低估了,许多雷暴的内部应含有数十亿伏特的能量。反过来,这也可能为长期困扰大气物理学家的一个难题提供了答案。

  1994年,NASA康普顿伽玛射线天文台注意到地球大气中出现了几次高能喷发现象,该天文台的目的就是监测发生在遥远星系中的伽马射线暴现象。一直到今天,依然没有人能解释地球上为何会出现与宇宙中一些强能量现象类似的事件。
  
  虽然人们曾怀疑闪电可能起了一定作用,但在之前的实验中观测到的雷云能量不足以解释地球上的伽马射线暴。

  现在,GRAPES-3望远镜的测量数据第一次证明,雷暴云含有足够的能量来产生这种神秘的现象。Gupta说,未来研究小组将会在研究仪器中增加一个伽马射线探测器,以帮助进一步验证上述解释。他们还想研究雷暴中的电压通过雷击释放的速度有多快。

  “我们想知道释放的电量有多大,因为这是雷击造成大部分损害的原因,”他说道。
目前,已有的测量结果已经给其他研究人员留下了深刻的印象。
 
  “这是一种以前没有人想到过的应用方法,” Michael Cherry说,他在路易斯安那州立大学研究高能宇宙射线和伽马射线,没有参与新研究。

  超强宇宙射线可能会受到相对普通的闪电的影响,高能物理学领域的大多数研究人员以前都会对此表示怀疑,他补充道。不过,研究结果表明,闪电是地球上的物理学家能够获得的最强大的自然粒子加速器之一。

  “我们不需要通过遥远的黑洞或超新星等外部来源来研究这些高能过程,” Cherry 说,“我们可通过近距离观察附近的闪电来进行研究。”

(译者:流浪狗)
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