Por primera vez: antimateria en un poderoso huracán
El huracán Patricia, que afectaba a la costa oeste de México en 2015, fue el ciclón tropical más intenso jamás registrado en el hemisferio occidental. En medio de la violencia extrema del huracán, los científicos observaron algo nuevo: un haz descendente de positrones, la contraparte antimateria de los electrones, creando una ráfaga de poderosos rayos gamma y rayos X.
Detectado por un instrumento a bordo del avión del cazador de huracanes de la NOAA, que voló a través del muro del ojo del huracán en su intensidad máxima, el haz de positrones no fue una sorpresa para los científicos de la UC Santa Cruz que construyeron el instrumento. Pero era la primera vez que alguien observaba este fenómeno.
Según David Smith, profesor de Física de la UC Santa Cruz, el haz de positrones fue la componente descendente de un destello de rayos gamma terrestres ascendente que envió una ráfaga de radiación al espacio por encima del ciclón tropical. Los flashes de rayos gamma terrestres (TGFs) se vieron por primera vez en 1994 por detectores de rayos gamma desde el espacio.
Estos ocurren en conjunción con los rayos y ahora se han observado miles de veces por los satélites orbitantes. Un haz reverso de positrones fue predicho por los modelos teóricos de TGFs, pero nunca había sido detectado.
"Esta es la primera confirmación de que la predicción teórica, y muestra que los TGFs están perforando la atmósfera de arriba a abajo con la radiación de alta energía", dijo Smith. "Este evento podría haber sido detectado desde el espacio, como casi todos los otros TGFs reportados, mientras un haz ascendente causado por una avalancha de electrones. Lo vimos desde abajo debido a un haz de antimateria (positrones) enviados en la dirección opuesta. "
Una implicación inesperada del estudio, publicada el 17 de mayo de 2018 en la revista Journal of Geophysical Research: Atmospheres, es que muchos TGFs podrían ser detectados a través del haz reverso de positrones utilizando instrumentos terrestres a gran altitud, por lo tanto no es necesario volar sobre el ojo de un huracán.
"Lo detectamos a una altitud de 2,5 kilómetros, y estimamos que nuestros detectores podrían haberlo visto hasta 1,5 kilómetros. Esa es la altitud de Denver, por lo que hay un montón de lugares en los que podría, en teoría, detectarse si usted tenía un instrumento en el lugar correcto en el momento adecuado durante una tormenta, "dijo Smith.
A pesar de la confirmación del haz reverso de positrones, muchas preguntas permanecen sin resolver acerca de los mecanismos que conducen a los TGFs.
Los campos eléctricos fuertes en las grandes tormentas pueden acelerar electrones a la velocidad de la luz, y estos "relativistas " electrones emiten rayos gamma mientras se dispersan por átomos en la atmósfera. Los electrones también pueden derribar otros electrones de los átomos y acelerarlos a altas energías, creando una avalancha de electrones.
Un TGF, que es un destello extremadamente brillante de rayos gamma, requiere un gran número de avalanchas de electrones energéticos.
"Es un acontecimiento extraordinario, y todavía no entendemos los mecanismos que los generan", dijo Smith.
La fuente de positrones, sin embargo, es un fenómeno bien conocido en la Física llamada la producción del par, en la cual un rayo gamma interactúa con el núcleo de un átomo para crear un electrón y un positrón. Puesto que tienen cargas opuestas, se aceleran en direcciones opuestas por el campo eléctrico de las tormentas.
Los positrones en movimiento hacia abajo producen rayos X y rayos Gamma en su dirección de viaje cuando chocan con núcleos atómicos, al igual que los electrones móviles ascendentes.
"Lo que vimos en el avión son los rayos gamma producidos por el haz de positrones hacia abajo", dijo Smith.
El primer autor Gregory Bowers, ahora en el Laboratorio Nacional de los Alamos, y la coautor Nicole Kelley, ahora en SWIFT Navigation, fueron estudiantes de posgrado en UC Santa Cruz cuando trabajaron juntos en el instrumento que hizo la detección.
El detector aerotransportado para las emisiones energéticas de rayos (Adele Mark II) fue diseñado para observar TGFs para arriba cerca midiendo las radiografías y los rayos gamma de los aviones volados en o sobre tempestades de truenos.
Acercarse demasiado a un TGF podría ser peligroso, aunque el riesgo se reduce rápidamente con la distancia de la fuente. La dosis de rayos gamma a una distancia de un kilómetro sería despreciable, dijo Smith. "Es hipotéticamente un riesgo, pero las probabilidades son bastante pequeñas", dijo. "No pido a los pilotos que vuelen a las tormentas, pero si van de todos modos voy a poner un instrumento a bordo. "
El grupo de Smith fue el primero en detectar un TGF en un avión usando un instrumento anterior, el Adele Mark I. En ese caso, el haz ascendente del TGF fue detectado por encima de una tormenta. Para este estudio, el Adele Mark II voló a bordo del avión de la NOAA WP-3D Orion que sobrevuela los ciclones tropicales durante la temporada de huracanes del Atlántico.
Referencia
A Terrestrial Gamma?Ray Flash inside the Eyewall of Hurricane Patricia. G. S. Bowers,D. M. Smith, N. A. Kelley,G. F. Martinez?McKinney, S. A. Cummer,J. R. Dwyer, S. Heckman, R. H. Holzworth, F. Marks, P. Reasor. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. https://doi.org/10.1029/2017JD027771