El umbral para los destellos de rayos X de los relámpagos se identifica mediante simulaciones

Investigadores de EE. UU., Francia y la República Checa han realizado nuevos conocimientos sobre cómo se producen los destellos de rayos X durante la caída de rayos. Usando simulaciones por computadora, un equipo dirigido por Víctor Pasko en la Universidad Estatal de Pensilvania mostró cómo las avalanchas de electrones responsables de los destellos desencadenan en un umbral mínimo los campos eléctricos producidos por el precursor del rayo. Este descubrimiento podría conducir al desarrollo de nuevas técnicas para producir rayos X en el laboratorio.

Los destellos de rayos gamma terrestres (TGF) implican la emisión de fotones de alta energía desde fuentes dentro de la atmósfera terrestre. Si bien se usa el término rayos gamma, la mayoría de los fotones son creados por la aceleración de los electrones y, por lo tanto, son rayos X.

Estos rayos X se emiten en el rango de energía de los megaelectronvoltios y su creación está estrechamente asociada con los rayos. Aunque los TGF son raros e increíblemente breves, ahora son observados regularmente por instrumentos que detectan rayos gamma desde el espacio.

telescopios espaciales

“Los TGF fueron descubiertos en 1994 por el Observatorio de Rayos Gamma Compton de la NASA”, explica Pasko. “Desde entonces, muchos otros observatorios orbitales han capturado estos eventos de alta energía, incluido el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA”.

Tras su descubrimiento inicial, los orígenes de los TGF se vincularon a los electrones que se liberan de las moléculas de aire por los intensos campos eléctricos de los "líderes de relámpagos". Estos son canales de aire ionizado que se forman entre una base de nube cargada negativamente y el suelo cargado positivamente. Como sugiere el nombre, la creación de los líderes de rayos es seguida en breve por descargas de rayos.

Una vez que estos electrones se liberan en un rayo, son acelerados por el campo eléctrico y chocan con moléculas para liberar más electrones. Este proceso continúa, creando muy rápidamente más y más electrones en lo que Pasko describe como una "avalancha de electrones".

Rayos X ionizantes

Cuando los electrones chocan con las moléculas, parte de la energía perdida por los electrones se irradia en forma de rayos X. Estos rayos X viajan en todas las direcciones, incluso de regreso a lo largo del camino de la avalancha de electrones. Como resultado, los rayos X pueden ionizar más moléculas aguas arriba de la avalancha, liberando más electrones y haciendo que los TGF sean aún más brillantes.

Después de que se concibiera este modelo inicial a principios de la década de 2000, los investigadores intentaron recrear el comportamiento en simulaciones por computadora. Sin embargo, hasta ahora, estas simulaciones no han logrado imitar de cerca los tamaños de los TGF observados en rayos reales.

Pasko y sus colegas creen que esta falta de éxito está relacionada con el tamaño relativamente grande de estas simulaciones, que generalmente modelan regiones de varios kilómetros de ancho. Sin embargo, este último trabajo sugiere que los TGF generalmente se forman en regiones muy compactas (que van de 10 a 100 m de tamaño) que rodean las puntas de los conductores de rayos. Hasta ahora, las razones que rodean esta compacidad han permanecido en gran medida como un misterio.

Umbral mínimo

En su estudio, los investigadores asumieron que los TGF solo se forman cuando la fuerza del campo eléctrico del líder del rayo supera un valor de umbral mínimo. Al simular regiones del espacio más compactas, Pasko y sus colegas pudieron identificar este umbral. Lo que es más, los TGF producidos de esta manera coincidieron mucho más con las observaciones reales que con las simulaciones anteriores.

Los rayos crean isótopos radiactivos

Pasko y sus colegas esperan que las simulaciones futuras puedan imitar el mecanismo de avalancha de electrones TGF mucho más de cerca, lo que podría conducir a nuevas técnicas para producir rayos X en el laboratorio. “En presencia de electrodos, el mismo mecanismo de amplificación y producción de rayos X puede implicar la generación de electrones fuera de control del material del cátodo”, explica Pasko.

En última instancia, esto podría conducir a conocimientos más profundos sobre cómo se pueden producir los rayos X a través de descargas eléctricas controladas en los gases. Esto podría conducir a fuentes de rayos X compactas y altamente eficientes. Pasko concluye: "Anticipamos una gran cantidad de investigaciones nuevas e interesantes para explorar diferentes materiales de electrodos, así como regímenes y composiciones de presión de gas que conducirían a una producción mejorada de rayos X a partir de pequeños volúmenes de descarga".

El trabajo se describe en Geophysical Research Letters.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/threshold-for-x-ray-flashes-from-lightning-is-identified-by-simulations/