آستانه فلاش های اشعه ایکس از رعد و برق با شبیه سازی مشخص می شود

آستانه فلاش های اشعه ایکس از رعد و برق با شبیه سازی مشخص می شود

تمبر زمان: 9 مه 2023، 9:26 صبح

محققین رعد و برق
محققین رعد و برق: رضا جانعلی زاده (سمت چپ) و ویکتور پاسکو شبیه سازی های کامپیوتری نحوه ایجاد اشعه ایکس توسط رعد و برق را انجام داده اند. (با احترام: Jeff Xu/Penn State)

محققان در ایالات متحده، فرانسه و جمهوری چک، بینش جدیدی در مورد چگونگی تولید فلاش های اشعه ایکس در هنگام برخورد صاعقه به دست آورده اند. با استفاده از شبیه سازی کامپیوتری، تیمی به رهبری ویکتور پاسکو در دانشگاه ایالتی پن نشان داد که چگونه بهمن‌هایی از الکترون‌های مسئول فلاش‌ها در حداقل آستانه، میدان‌های الکتریکی تولید شده توسط پیش‌ساز رعد و برق را تحریک می‌کنند. این کشف می تواند منجر به توسعه تکنیک های جدید برای تولید اشعه ایکس در آزمایشگاه شود.

فلاش های پرتو گامای زمینی (TGF) شامل گسیل فوتون های پرانرژی از منابع درون جو زمین است. در حالی که از اصطلاح پرتو گاما استفاده می شود، بیشتر فوتون ها در اثر شتاب الکترون ها ایجاد می شوند و بنابراین پرتو ایکس هستند.

این پرتوهای ایکس در محدوده انرژی مگاالکترون ولت ساطع می شوند و ایجاد آنها ارتباط نزدیکی با رعد و برق دارد. اگرچه TGF ها نادر و فوق العاده مختصر هستند، اما اکنون به طور منظم توسط ابزارهایی که پرتوهای گاما را از فضا تشخیص می دهند، مشاهده می شوند.

تلسکوپ های فضایی

پاسکو توضیح می دهد: "TGF ها در سال 1994 توسط رصدخانه پرتو گامای کامپتون ناسا کشف شدند." از آن زمان، بسیاری از رصدخانه‌های مداری دیگر، از جمله تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی ناسا، این رویدادهای پرانرژی را ثبت کرده‌اند.

پس از کشف اولیه، منشاء TGF ها به الکترون هایی مرتبط شد که توسط میدان های الکتریکی شدید "رهبران رعد و برق" از مولکول های هوا آزاد می شوند. اینها کانالهای هوای یونیزه هستند که بین یک باز ابری با بار منفی و زمین با بار مثبت تشکیل می شوند. همانطور که از نام آن پیداست، ایجاد رهبران رعد و برق به مدت کوتاهی با تخلیه رعد و برق دنبال می شود.

هنگامی که این الکترون ها در یک رهبر صاعقه آزاد می شوند، توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرند و با مولکول ها برخورد می کنند تا الکترون های بیشتری آزاد کنند. این روند ادامه می یابد و به سرعت الکترون های بیشتری را در آنچه که پاسکو «بهمن الکترونی» توصیف می کند، ایجاد می کند.

اشعه ایکس یونیزان

با برخورد الکترون ها با مولکول ها، مقداری از انرژی از دست رفته توسط الکترون ها به شکل پرتوهای ایکس تابش می شود. این اشعه ایکس در همه جهات حرکت می کند - از جمله در طول مسیر بهمن الکترون. در نتیجه، اشعه ایکس می‌تواند مولکول‌های بیشتری را در بالادست بهمن یونیزه کند، الکترون‌های بیشتری آزاد کند و TGF‌ها را حتی درخشان‌تر کند.

پس از این که این مدل اولیه در اوایل دهه 2000 تصور شد، محققان تلاش کردند تا این رفتار را در شبیه سازی های کامپیوتری بازسازی کنند. با این حال، تا کنون، این شبیه‌سازی‌ها نتوانسته‌اند از نزدیک اندازه‌های TGF مشاهده شده در صاعقه‌های واقعی را تقلید کنند.

پاسکو و همکارانش بر این باورند که این عدم موفقیت به اندازه نسبتاً بزرگ این شبیه‌سازی‌ها مربوط می‌شود که معمولاً مناطقی با عرض چند کیلومتر را مدل‌سازی می‌کنند. با این حال، این آخرین کار نشان می دهد که TGF ها معمولاً در مناطق بسیار فشرده (از 10 تا 100 متر اندازه) در اطراف نوک رهبران رعد و برق تشکیل می شوند. تا به حال، دلایل پیرامون این فشردگی تا حد زیادی یک راز باقی مانده است.

حداقل آستانه

در مطالعه خود، محققان فرض کردند که TGF ها تنها زمانی تشکیل می شوند که قدرت میدان الکتریکی رهبر صاعقه از حداقل مقدار آستانه فراتر رود. با شبیه سازی مناطق فشرده تر فضا، پاسکو و همکارانش توانستند این آستانه را شناسایی کنند. علاوه بر این، TGF های تولید شده به این روش با مشاهدات واقعی بسیار نزدیکتر از شبیه سازی های قبلی مطابقت داشتند.

پاسکو و همکارانش امیدوارند که شبیه‌سازی‌های آینده بتواند مکانیسم بهمن الکترونی TGF را بسیار نزدیک‌تر تقلید کند که به طور بالقوه منجر به تکنیک‌های جدیدی برای تولید پرتوهای ایکس در آزمایشگاه می‌شود. پاسکو توضیح می‌دهد: «در حضور الکترودها، همان مکانیسم تقویت و تولید اشعه ایکس ممکن است شامل تولید الکترون‌های فرار از ماده کاتد باشد.

در نهایت، این می تواند به بینش عمیق تری در مورد چگونگی تولید اشعه ایکس از طریق تخلیه الکتریکی کنترل شده در گازها منجر شود. این می تواند به منابع پرتو ایکس فشرده و بسیار کارآمد منجر شود. پاسکو نتیجه‌گیری می‌کند: «ما تحقیقات جدید و جالب زیادی را برای کشف مواد مختلف الکترود، و همچنین رژیم‌های فشار گاز و ترکیباتی پیش‌بینی می‌کنیم که منجر به افزایش تولید پرتو ایکس از حجم‌های تخلیه کوچک شود».

شرح کار در ژئوفیزیک نامه های پژوهشی.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک