Физики обнаружили, что молниевые разряды инициируют ядерные реакции в атмосфере, в результате которых образуются частицы антиматерии позитроны и радиоактивный углерод-14. Это открытие было сначала предсказано российским теоретиком, а затем обнаружено экспериментально в ходе грозы в Японии.
Уже с 1990-х годов космические обсерватории наблюдали всплески гамма-излучения, приходившие со стороны Земли. Их появление связывали с некими атмосферными явлениями, но детальный механизм был неизвестен.
Детальным исследованием решил заняться астрофизик Теруаки Эното из Киотского университета в Японии, который вместе со своими коллегами установил массив гамма-детекторов вблизи одной из японских атомных электростанций. Японские зимние грозы знамениты своими мощными молниями, а малооблачная погода создала удобные условия для наблюдений.
6 февраля детекторы обнаружили необычное явление. Двойная молния вызвала приход короткого всплеска гамма-лучей длительностью всего в 1 миллисекунду. Энергия фотонов в этом всплеске достигала 10 МэВ. За ним в течение приблизительно секунды следовало небольшое послесвечение, которое заканчивалось длинным — почти минутным — гамма-сигналом с энергией квантов равной 511 кэВ. Этот сигнал однозначно указывал на то, что в атмосфере шёл процесс аннигиляции родившихся во время разряда позитронов.
Такой процесс был предсказан теоретически около 10 лет назад сотрудником Российского федерального ядерного центра в Сарове Ленидом Бабичем. Согласно его теории, молния ускоряет некоторые электроны до скоростей, близких к скоростям света. Эти электроны излучают гамма-лучи, которые при взаимодействии с ядрами азота выбивают один нейтрон, а также возбуждают ядро. Затем ядро возвращается в исходное состояние, излучая уже другой гамма-фотон — именно это излучение видели экспериментаторы в виде секундного послесвечения.
Кроме того, ядро азота, лишившись одного из нейтронов, становится неустойчивым и приблизительно через минуту распадается с испусканием позитрона. Аннигиляция позитрона с первым же встречным электроном приводит к рождению двух фотонов с энергией равной приблизительно энергии покоя позитрона и электрона — 511 кэВ.
Ещё один побочный эффект этой реакции связан с тем, что часть выбитых нейтронов через некоторое время встречается с другими ядрами азота и вызывают его превращение в радиоактивный изотоп углерода-14. Это тот самый изотоп, который используется археологами и палеонтологами для радиоуглеродного анализа.
Считается, что основным источником углерода-14 в земной атмосфере являются космические лучи. В принципе, молнии тоже могут давать свой вклад, но на данный момент его величину оценить невозможно, в первую очередь потому, что не все молнии приводят к протеканию таких ядерных реакций.
Статья с результатами исследования была опубликована в Nature.
Подписывайтесь на мой телеграм-канал!
