jueves, 2 de julio de 2009

Rayos (gamma) y truenos.


Cuando pensamos en aceleradores de partículas pensamos en cosas como el LHC. De igual forma, cuando nos hablan de brotes de rayos gamma nuestra mente salta al Fermi (antes GLAST) y a los fenómenos más exóticos y energéticos del universo. Y, sin embargo, sin saberlo, tenemos aceleradores de partículas y rayos gamma encima de nuestras cabezas. Hablamos de las tormentas.

Aparte de ser el escenario de increíbles despliegues de rayos, las nubes de tormenta también emiten rayos gamma, aunque los investigadores no están completamente seguros de porqué. El otoño pasado, unos detectores instalados en la cumbre de una montaña en Japón captaron por primera vez simultáneamente señales de esta radiación junto con electrones de alta velocidad que se piensa que son su fuente. Los resultados, detallados en el Physical Review Letters del 26 de junio [1], apoya el modelo de que los aceleradores de las nubes de tormenta generan electrones “fugitivos”, que puede que algunas veces inicien un rayo.

Desde 1994 detectores en satélites, aviones y otros artilugios voladores y en tierra han recogido destellos de rayos gamma procedentes de tormentas. Pueden durar desde unos pocos milisegundos a minutos, pero sólo los más breves parecen estar asociados directamente con los rayos.

Los expertos creen que los rayos gamma provienen de electrones acelerados a velocidades cercanas a la de la luz en los campos eléctricos de las nubes de tormenta. Cuando uno de estos electrones rápidos choca con un núcleo atómico (de los distintos elementos que componen el aire) reduce su velocidad, haciendo que emita un fotón de rayos gamma, lo que se conoce como radiación Bremsstrahlung.

¿De dónde vienen estos electrones? Según los teóricos, para dar cuenta de un número suficiente de electrones de alta velocidad, los rayos cósmicos proporcionarían una cantidad que haría de “semilla”. Conforme estos electrones primarios fuesen acelerados por los campos eléctricos de las nubes de tormenta, arrancarían otros electrones de los átomos de las moléculas en el aire, que serían también acelerados arrancando a su vez más electrones. Este modelo de avalancha “fugitiva” (fugitiva porque los electrones “huyen”) es consistente con los destellos breves, y podría ser el disparador de los rayos [2]. Pero no estaba claro si el modelo podría también explicar los brotes de rayos gamma de larga duración.

Para conseguir un conjunto de un nuevo tipo de datos, Harufumi Tsuchiya del RIKEN, un instituto de investigación japonés, y sus colegas construyeron un sistema que podía medir tanto los electrones como los fotones de una tormenta. Sus principales componentes eran un detector de centelleo de ioduro de sodio que podía detectar todas las partículas que le llegasen en un rango entre 10 keV y 12 MeV y otro detector de centelleo de plástico sensible primariamente a los electrones con energía de 500 keV o superiores. Dado que estos electrones relativistas viajan como mucho unos pocos cientos de metros a través de la atmósfera, los detectores se colocaron a 2.770 metros sobre el nivel del mar, en el Observatorio Norikura, donde son frecuentes las tormentas a baja cota.

Durante una tormenta la noche del 20 de septiembre de 2008, los detectores registraron un brote de radiación que duró 90 segundos, sin rayo asociado. Un modelo de ordenador mostró que los rayos gamma (que se identificaron restando las señales de los dos detectores de centelleo) se originaron probablemente 90 metros por encima de los detectores. Las energías de electrón estimadas por el equipo de hasta 20 MeV eran consistentes con el modelo fugitivo, sugiriendo que al menos las predicciones energéticas de la teoría eran razonables para los brotes de rayos gamma de larga duración.

Del conteo de electrones, los autores también dedujeron que el acelerador “nebular” tenía 200 metros de largo. Esta longitud es menor de lo que predice el modelo fugitivo. Es necesaria pues una ampliación de la teoría para explicar el tamaño del acelerador, la larga duración de algunos brotes y también la desconcertante pequeñez de los campos eléctricos medidos por globos lanzados a nubes de tormenta. Según las teorías actuales, estos campos no son lo suficientemente grandes para iniciar un rayo. Un cuadro más claro de los brotes de larga duración podría conectar los electrones fugitivos con la chispa del rayo.

Referencias:

[1]

H. Tsuchiya,, T. Enoto,, T. Torii,, K. Nakazawa,, T. Yuasa,, S. Torii,, T. Fukuyama,, T.Yamaguchi,, H.Kato,, M.Okano,, M.Takita,, & K. Makishima (2009). Observation of an Energetic Radiation Burst from Mountain-Top Thunderclouds Physical Review Letters, 102 (255003) DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.255003

[2]

Dwyer, J., Uman, M., & Rassoul, H. (2009). Remote measurements of thundercloud electrostatic fields Journal of Geophysical Research, 114 (D9) DOI: 10.1029/2008JD011386