وميض أشعة غاما الأرضية

وميض أشعة غاما الأرضية ( TGF )، المعروف أيضًا بالبرق المظلم ، هو انفجار لأشعة غاما يتولد في الغلاف الجوي للأرض. وقد سُجلت ومضات أشعة غاما الأرضية لمدة تتراوح بين 0.2 و3.5 مللي ثانية ، وتصل طاقتها إلى 20 مليون إلكترون فولت . ويُعتقد أن ومضات أشعة غاما الأرضية ناتجة عن مجالات كهربائية شديدة تتولد فوق العواصف الرعدية أو داخلها . كما رصد العلماء بوزيترونات وإلكترونات عالية الطاقة ناتجة عن ومضات أشعة غاما الأرضية. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

اكتُشفت ومضات أشعة غاما الأرضية لأول مرة عام 1994 بواسطة تجربة BATSE ، أو تجربة مصادر الانفجارات والظواهر العابرة، على متن مرصد كومبتون لأشعة غاما ، وهو مركبة فضائية تابعة لناسا . ^{[ 3 ]} ربطت دراسة لاحقة أجرتها جامعة ستانفورد عام 1996 ومضة أشعة غاما أرضية بضربة برق فردية حدثت في غضون بضعة أجزاء من الثانية من ومضة أشعة غاما الأرضية. لم ترصد تجربة BATSE سوى عدد قليل من أحداث ومضات أشعة غاما الأرضية خلال تسع سنوات (76 حدثًا)، نظرًا لأنها صُممت لدراسة انفجارات أشعة غاما القادمة من الفضاء الخارجي، والتي تدوم لفترة أطول بكثير.

في أوائل العقد الأول من الألفية الثانية، رصد القمر الصناعي راماتي عالي الطاقة لتصوير الطيف الشمسي ( RHESSI ) ومضات أشعة غاما الأرضية (TGFs) بطاقات أعلى بكثير من تلك التي سجلها مرصد BATSE. ^{[ 4 ]} دفعت بيانات RHESSI العلماء إلى تقدير حدوث حوالي 50 ومضة TGF يوميًا، ^{[ 5 ]} وهو عدد يفوق ما كان يُعتقد سابقًا، ولكنه لا يزال يمثل جزءًا صغيرًا جدًا من إجمالي البرق على الأرض (3-4 ملايين ومضة برق يوميًا في المتوسط). بعد بضع سنوات، قدّر العلماء، باستخدام تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة غاما التابع لناسا ، والمصمم لرصد أشعة غاما، حدوث حوالي 500 ومضة TGF يوميًا في جميع أنحاء العالم، ولكن معظمها لا يُرصد. ^{[ 6 ]}

على الرغم من عدم وضوح تفاصيل الآلية، إلا أن هناك إجماعًا متزايدًا حول المتطلبات الفيزيائية. يُفترض أن فوتونات ومضات أشعة غاما الأرضية (TGF) تنبعث من إلكترونات تتحرك بسرعات قريبة جدًا من سرعة الضوء ، تصطدم بنوى الذرات في الهواء وتُطلق طاقتها على شكل أشعة غاما ( إشعاع الكبح ^{[ 7 ]} ). يمكن أن تتشكل أعداد كبيرة من الإلكترونات النشطة نتيجة لنمو متسارع مدفوع بالمجالات الكهربائية ، وهي ظاهرة تُعرف باسم انهيار الإلكترونات النسبية الهاربة (RREA) ^{[ 8 ] [ 9 ]} . من المرجح أن يكون البرق هو مصدر المجال الكهربائي، حيث ثبت أن معظم ومضات أشعة غاما الأرضية تحدث في غضون بضعة أجزاء من الألف من الثانية بعد حدوث البرق (إينان وآخرون، 1996) ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} . وبعيدًا عن هذه الصورة الأساسية، تبقى التفاصيل غير مؤكدة. أظهرت الأبحاث الحديثة أن تفاعل الإلكترون-الإلكترون (Bremsstrahlung) ^{[ 13 ]} يؤدي أولاً إلى إثراء الإلكترونات عالية الطاقة، ثم يزيد من عدد الفوتونات عالية الطاقة.

استُعيرت بعض الأطر النظرية القياسية من تفريغات أخرى مرتبطة بالبرق، مثل العفاريت والنفثات الزرقاء والجنيات ، والتي اكتُشفت في السنوات التي سبقت مباشرةً أولى رصدات ومضات أشعة غاما الأرضية. على سبيل المثال، قد يكون هذا المجال ناتجًا عن فصل الشحنات في سحابة رعدية ("مجال التيار المستمر")، والذي غالبًا ما يرتبط بالعفاريت، أو عن النبضة الكهرومغناطيسية الناتجة عن تفريغ البرق، والتي غالبًا ما ترتبط بالجنيات. وهناك أيضًا بعض الأدلة على أن بعض ومضات أشعة غاما الأرضية تحدث في غياب ضربات البرق، وإن كانت في محيط نشاط البرق العام، مما استدعى مقارنات مع النفثات الزرقاء.

يتطلب نموذج المجال الكهربائي المستمر شحنة كبيرة جدًا في السحابة الرعدية لتكوين مجالات كافية على ارتفاعات عالية (مثل 50-90  كم، حيث تتشكل ظاهرة الوميض الأرضي). وخلافًا لظاهرة الوميض الأرضي، لا يبدو أن هذه الشحنات الكبيرة مرتبطة بالبرق المُولِّد لظاهرة ومضات أشعة غاما الأرضية. ^{[ 10 ]} وبالتالي، يتطلب نموذج المجال الكهربائي المستمر حدوث ومضات أشعة غاما الأرضية في طبقات أدنى، عند قمة السحابة الرعدية (10-20  كم) حيث يمكن أن يكون المجال المحلي أقوى. وتدعم هذه الفرضية ملاحظتان مستقلتان. أولًا، يتطابق طيف أشعة غاما الذي رصده مرصد RHESSI بشكل جيد جدًا مع تنبؤات الهروب النسبي على ارتفاع 15-20  كم. ^{[ 14 ]} ثانيًا، تتركز ومضات أشعة غاما الأرضية بشدة حول خط استواء الأرض مقارنةً بالبرق. ^{[ 15 ]} (وقد تتركز أيضًا فوق الماء مقارنةً بالبرق بشكل عام). وتكون قمم السحب الرعدية أعلى بالقرب من خط الاستواء ، وبالتالي فإن أشعة غاما الناتجة عن ومضات أشعة غاما الأرضية المتولدة هناك لديها فرصة أفضل للهروب من الغلاف الجوي. وبالتالي فإن النتيجة ستكون أن هناك العديد من ومضات أشعة غاما الأرضية على ارتفاعات منخفضة لا يمكن رؤيتها من الفضاء، وخاصة عند خطوط العرض العليا.

تُخفف فرضية بديلة، هي نموذج النبضة الكهرومغناطيسية ^{[ 16 ]} ، من شرط شحنة السحابة الرعدية، لكنها تشترط بدلاً من ذلك وجود نبضة تيار كبيرة تتحرك بسرعة عالية جدًا. وتُعد سرعة نبضة التيار المطلوبة مُقيِّدة للغاية، ولا يوجد حتى الآن أي دعم رصدي مباشر لهذا النموذج.

تتمثل آلية افتراضية أخرى في أن ومضات أشعة غاما الأرضية (TGFs) تُنتَج داخل السحابة الرعدية نفسها، إما في المجالات الكهربائية القوية القريبة من قناة البرق أو في المجالات الساكنة الموجودة على مساحات واسعة من السحابة. تعتمد هذه الآليات على نشاط شديد لقناة البرق لبدء العملية (كارلسون وآخرون، 2010) أو على تغذية راجعة قوية تسمح حتى للأحداث العشوائية الصغيرة النطاق بتحفيز الإنتاج. ^{[ 17 ]} كشف جهاز مراقبة تفاعلات الغلاف الجوي والفضاء (ASIM)، المخصص لقياس الإشارات الضوئية للبرق وإشارات ومضات أشعة غاما الأرضية في آنٍ واحد، أن ومضات أشعة غاما الأرضية ترتبط عادةً بالومضات الضوئية، مما يشير بقوة إلى أن الإلكترونات النسبية، باعتبارها سلائف لوومضات أشعة غاما الأرضية، تُنتَج في المجالات الكهربائية القوية بالقرب من قنوات البرق. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

قد تتولد أشعة غاما الأرضية في الأعمدة الضخمة للثوران البركاني، مثل ثوران هونغا تونغا-هونغا هاآباي عام 2022. ^{[ 20 ]}

لقد طُرحت فرضية مفادها أن ومضات أشعة غاما الأرضية (TGFs) تُطلق أيضًا حزمًا من الإلكترونات والبوزيترونات عالية السرعة النسبية، والتي تفلت من الغلاف الجوي، وتنتشر على طول المجال المغناطيسي للأرض ، وتتساقط على نصف الكرة الأرضية المقابل. ^{[ 21 ] [ 22 ]} وقد أظهرت بعض حالات ومضات أشعة غاما الأرضية التي رصدتها أجهزة RHESSI وBATSE وFermi-GBM أنماطًا غير عادية يمكن تفسيرها بمثل هذه الحزم من الإلكترونات/البوزيترونات، إلا أن مثل هذه الأحداث نادرة للغاية.

أظهرت الحسابات أن ومضات أشعة غاما الأرضية (TGFs) لا تُطلق البوزيترونات فحسب، بل تُطلق أيضًا النيوترونات والبروتونات. ^{[ 23 ] [ 24 ]} وقد تم قياس النيوترونات بالفعل في التفريغات الكهربائية، ^{[ 25 ]} بينما لا يوجد تأكيد تجريبي للبروتونات المرتبطة بالتفريغ (2016). وأظهرت الأبحاث الحديثة أن كثافة هذه النيوترونات تتراوح بين 10⁻⁹ ^و10⁻¹³ نيوترون ^لكل مللي ثانية ولكل متر مربع، ^وذلك تبعًا لارتفاع الكشف. وتنخفض طاقة معظم هذه النيوترونات، حتى مع طاقات ابتدائية تبلغ 20 ميغا إلكترون فولت، إلى نطاق الكيلو إلكترون فولت في غضون مللي ثانية واحدة. ^{[ 24 ]}

تشكل ومضات أشعة غاما الأرضية تحدياً للنظريات الحالية للبرق، لا سيما مع اكتشاف البصمات الواضحة للمادة المضادة الناتجة عن البرق. ^{[ 26 ]}

خلال الخمسة عشر عامًا الماضية، اكتُشف أن من بين عمليات البرق آلية قادرة على توليد أشعة غاما ، التي تتسرب من الغلاف الجوي وترصدها المركبات الفضائية في مداراتها. وقد كشف جيرالد فيشمان من وكالة ناسا عن هذه الظاهرة عام ١٩٩٤ في مقال نُشر في مجلة ساينس ^{[ ٣ ]،} حيث رُصدت هذه الظاهرة، التي تُعرف باسم ومضات أشعة غاما الأرضية (TGFs)، بالصدفة أثناء توثيقه لحالات انفجارات أشعة غاما خارج الأرض التي رصدها مرصد كومبتون لأشعة غاما (CGRO). وتتميز ومضات أشعة غاما الأرضية بقصر مدتها، إذ لا تتجاوز ١ مللي ثانية.

ربط البروفيسور عمران إينان من جامعة ستانفورد حدث TGF بضربة برق فردية تحدث في غضون 1.5  مللي ثانية من حدث TGF، ^{[ 27 ]} مما يثبت لأول مرة أن TGF كان من أصل جوي ومرتبط بضربات البرق.

لم يسجل مرصد CGRO سوى 77 حدثًا تقريبًا خلال 10 سنوات؛ إلا أنه في الآونة الأخيرة، رصدت مركبة التصوير الطيفي الشمسي عالي الطاقة (RHESSI) التابعة لروڤين راماتي، وفقًا لما ذكره ديفيد سميث من جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز ، ومضات أشعة غاما الأرضية (TGFs) بمعدل أعلى بكثير، مما يشير إلى حدوثها حوالي 50 مرة يوميًا على مستوى العالم (وهو ما يزال جزءًا صغيرًا جدًا من إجمالي البرق على كوكب الأرض). وتتجاوز مستويات الطاقة المسجلة 20 ميغا إلكترون فولت.

يدرس علماء من جامعة ديوك العلاقة بين بعض ظواهر البرق وانبعاثات أشعة غاما الغامضة المنبعثة من الغلاف الجوي للأرض، وذلك في ضوء رصدات حديثة لأشعة غاما الأرضية (TGFs) أجراها مرصد RHESSI. وتشير دراستهم إلى أن هذه الأشعة تتصاعد من نقاط انطلاق على ارتفاعات منخفضة بشكل مثير للدهشة في السحب الرعدية.

قال ستيفن كومر ، من كلية برات للهندسة بجامعة ديوك : "هذه أشعة غاما ذات طاقة أعلى من تلك القادمة من الشمس. ومع ذلك، فهي تأتي هنا من نوع العواصف الرعدية الأرضية التي نراها هنا طوال الوقت." ^{[ 28 ]}

أشارت الفرضيات المبكرة إلى أن البرق يُولّد مجالات كهربائية عالية ويُحفّز انهيارًا إلكترونيًا نسبيًا متسارعًا على ارتفاعات أعلى بكثير من السحابة، حيث يسمح الغلاف الجوي الرقيق لأشعة غاما بالهروب بسهولة إلى الفضاء، على غرار طريقة تكوّن ظاهرة العفاريت . إلا أن الأدلة اللاحقة أشارت إلى أن ومضات أشعة غاما الأرضية (TGFs) قد تنتج عن تحفيز انهيارات إلكترونية نسبية داخل السحب الرعدية العالية أو فوقها مباشرة. ورغم أن هذه النظريات تعاني من امتصاص الغلاف الجوي لأشعة غاما المتسربة، إلا أنها لا تتطلب البرق شديد الكثافة الذي تعتمد عليه نظريات توليد ومضات أشعة غاما الأرضية على الارتفاعات العالية.

لا يزال دور أشعة غاما الأرضية وعلاقتها بالبرق موضوعًا للدراسة العلمية المستمرة.

في عام 2009، رصد تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة غاما، في مداره حول الأرض، انفجارًا هائلاً لأشعة غاما ناتجًا عن فناء البوزيترونات المنبعثة من عاصفة نووية. لم يكن العلماء ليُفاجأوا برؤية عدد قليل من البوزيترونات مصاحبة لأي انفجار أشعة غاما شديد، لكن ومضة البرق التي رصدها فيرمي بدت وكأنها أنتجت نحو 100 تريليون بوزيترون. وقد نُشر هذا الخبر في وسائل الإعلام في يناير 2011، وهو أمر لم يُرصد من قبل. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

تم إطلاق جهاز مراقبة التفاعلات بين الغلاف الجوي والفضاء (ASIM)، وهو تجربة مخصصة لدراسة أشعة غاما الأرضية، إلى محطة الفضاء الدولية في 2 أبريل 2018 وتم تركيبه على مرفق الحمولة الخارجية كولومبوس في 13 أبريل 2018. ^{[ 31 ]}

• انفجارات أشعة غاما
• سبرايت الأحمر
• بلو جيت
• البرق