فیزیک‌دانان نشان دادند طوفان‌های همراه با صاعقه موجب ایجاد واکنش‌های هسته‌ای در جو می‌شود.

طوفان همراه با صاعقه که ابرها را بر فراز کاگوشیمای ژاپن روشن کرده است

یک رگه صاعقه در آسمان ژاپن پوزیترون‌ (پادذره‌ای همانند الکترون تنها با بار مخالف)، و کربن-14 رادیواکتیو تولید کرده است که به معنای تایید پیش‌بینی‌های نظری موجود در مقاله‌ای در نشریه Nature در تاریخ 22 نوامبر است¹.

از دهه 1990، رصدخانه‌های درحال چرخشی که برای رصد آسمان‌ها طراحی شده‌اند، تشعشعات پرتوی گاما ساطع‌شده از زمین را نیز آشکارسازی کرده‌اند، که تصور می‌شد منشأ آن‌ها پدیده‌ای در جو است. برای بررسی این نظریه، ترواکی انوتو اخترفیزیک‌دان دانشگاه کیوتوی ژاپن و هم‌کارانش تعدادی از آشکارسازهای پرتوی گاما را نزدیک به نیروگاه هسته‌ای کاشیوازاکی-کاریوا قرار دادند. او می‌گوید طوفان‌های همراه با صاعقه زمستان‌های ژاپن به دلیل صاعقه‌های تماشایی‌شان مشهور هستند و به لطف ارتفاع پایین ابرها، مشاهده آن‌ها نسبتاً آسان است.

در 6 فوریه، آشکارسازها رخدادی غیرمعمول را ثبت کردند. دو صاعقه باهم در کنار ساحل به وقوع پیوسته، و در ابتدا موجب ثبت بارشی از پرتوهای گاما در زمان یک میلی‌ثانیه  و با انرژی نسبتاً بالای 10 مگاالکترون‌ولت شد. بعد از آن پس‌تابی از پرتوهای گاما در زمان کم‌تر از نیم‌ ثانیه به وجود آمد. بعد از آن سیگنال دیگری در آشکارساز مشاهده شد، که نشان می‌داد پرتوهای گاما با انرژی 511 کیلوالکترون‌ولت و به مدت حدود یک دقیقه باقی مانده‌اند. فیزیک‌دانان ادعا می‌کنند این موضوع ردپای غیرقابل انکار پوزیترون‌هاست که در توده‌ای از انرژی، با برخورد با الکترون‌های محیط اطراف نابود می‌شوند.

به علاوه، سه موج پرتوی گاما به واکنش فوتوهسته‌ای منجر می‌شود که آن را نخستین بار یک دهه قبل لئونید بابیچ، فیزیک‌دان مرکز هسته‌ای فدرال روسیه در ساروف، مطرح کرد². صاعقه می‌تواند الکترون‌ها را تا نزدیک به سرعت نور شتاب دهد، و پس از آن الکترون‌ها می‌توانند پرتوی گاما تولید کنند. پیشنهاد بابیچ این بود که وقتی یکی از این پرتوهای گاما به هسته اتم نیتروژن در جو برخورد می‌کند، یک نوترون آزاد می‌شود. بسیاری از این نوترون‌ها، بعد از این‌که اندکی به اطراف برخورد کردند، توسط هسته اتم نیتروژن دیگری جذب می‌شود. این اتفاق انرژی هسته دریافت‌کننده را افزایش داده و به حالت برانگیخته می‌برد. هسته دریافت‌کننده به محض این‌که به حالت پایه‌ اصلی خود بازمی‌گردد، پرتوی گامای دیگری ساطع می‌کند که به درخشش پرتوی گاما کمک می‌نماید.

در همین اثنا، هسته نیتروژنی که نوترون از دست داده نیز به شدت ناپایدار است. این هسته در دقیقه بعدی یا اندکی پس از آن به صورت رادیواکتیو نابود می‌شود، با انجام این کار پوزیترون ساطع می‌کند که تقریباً بی‌درنگ به واسطه یک الکترون نابود می‌شود و دو فوتون‌ با انرژی 511 کیلوالکترون‌ولت تولید می‌شود. انوتو می‌گوید این همان سیگنال مشاهده‌شده سوم است. او معتقد است اگر فقط ابر رادیواکتیو اندکی در ارتفاعات پایین و در نزدیکی آشکارسازهای او وجود داشت، بعید بود آشکارسازهای او بتوانند این پدیده را ثبت کنند. این شرایط در کنار یکدیگر می‌توانند کمک کنند که بفهمیم چرا اثر فوتوهسته‌ای این قدر به ندرت دیده شده است. انوتو می‌گوید گروه او چند رخ‌داد مشابه دیگری را نیز مشاهده کرده‌اند اما همین یکی که در این مقاله توضیح داده شد، تنها رخ‌داد روشن و صریح تا امروز است.

بابیچ پیش‌بنی کرد که تمام نوترون‌های آزادشده از نیتروژن‌ها به وسیله پرتوهای گاما، جذب نمی‌شوند. در عوض برخی از آن‌ها موجب تبدیل هسته‌های‌ نیتروژن دیگر به کربن-14 خواهد شد. کربن-14 ایزوتوپ رادیواکتیوی است که از کربن معمولی دو نوترون بیشتر دارد. موجودات زنده می‌توانند این ایزوتوپ را جذب کنند. سپس بعد از مرگ این موجود زنده، این ایزوتوپ نیز با آهنگی قابل پیش‌بینی نابود می‌شود که زمان‌سنجی مفید برای باستان‌شناسان به شمار می‌آید.

عموماً تصور می‌شود منبع اصلی کربن-14 در جو، پرتوهای کیهانی باشد. در اصل، صاعقه می‌تواند به تأمین این منبع نیز کمک کند. انوتو می‌گوید اما هنوز معلوم نیست چه مقدار از این ایزوتوپ به این روش تولید می‌شود زیرا ممکن است تمام صاعقه‌ها منجر به شروع واکنش فوتوهسته‌ای نشود.

جوزف دویر فیزیک‌دان دانشگاه نیو همپشر در ایالت دورهام می‌گوید: «با تفسیری که آن‌ها از این داده‌ها دارند، موافقم». اما اضافه کرد توضیح گروه انوتو به تمام معماهای مربوط به پوزیترون‌ها در جو پاسخ نمی‌دهد. به ویژه، به نظر نمی‌رسد واکنش فوتوهسته‌ای با پدیده‌ای که دویر در سال 2009 از یک هواپیمای پژوهشی مشاهده کرد، منطبق باشد. وی ادامه داد، آشکارسازهای او ردپای پوزیترون‌ها را تنها برای کسری از یک ثانیه کشف کردند که برای آن‌که از یک نابودی هسته‌ای سرچشمه گرفته باشند، بسیار کوتاه است. علاوه بر این، آشکارسازهای او در این مورد هیچ درخشش اولیه‌ای را مشاهده نکردند، «که اگر وجود می‌داشت، باید به وضوح دیده می‌شد».

نویسنده: Davide Castelvecchi

منبع: Lightning makes new isotopes

مرجع: