Limite para flashes de raios-X de raios é identificado por simulações

Novos insights sobre como os flashes de raios-X são produzidos durante os raios foram feitos por pesquisadores nos EUA, França e República Tcheca. Usando simulações de computador, uma equipe liderada por Victor Pasco na Penn State University mostrou como as avalanches de elétrons responsáveis ​​pelos flashes são acionadas em um limiar mínimo dos campos elétricos produzidos pelo precursor do raio. Essa descoberta pode levar ao desenvolvimento de novas técnicas de produção de raios X em laboratório.

Flashes de raios gama terrestres (TGFs) envolvem a emissão de fótons de alta energia de fontes dentro da atmosfera da Terra. Embora o termo raios gama seja usado, a maioria dos fótons é criada pela aceleração dos elétrons e, portanto, são raios-X.

Esses raios-X são emitidos na faixa de energia do megaelétron-volt e sua criação está intimamente associada aos raios. Embora os TGFs sejam raros e incrivelmente breves, eles agora são regularmente observados por instrumentos que detectam raios gama do espaço.

telescópios espaciais

“Os TGFs foram descobertos em 1994 pelo Observatório Compton Gamma Ray da NASA”, explica Pasko. “Desde então, muitos outros observatórios orbitais capturaram esses eventos de alta energia, incluindo o Fermi Gamma-ray Space Telescope da NASA.”

Após sua descoberta inicial, as origens dos TGFs foram ligadas a elétrons que são liberados das moléculas de ar pelos intensos campos elétricos dos “líderes de raios”. Estes são canais de ar ionizado que se formam entre uma nuvem carregada negativamente e o solo carregado positivamente. Como o nome sugere, a criação de líderes relâmpagos é seguida logo por descargas elétricas.

Uma vez que esses elétrons são liberados em um líder relâmpago, eles são acelerados pelo campo elétrico e colidem com as moléculas para liberar mais elétrons. Este processo continua, criando muito rapidamente mais e mais elétrons no que Pasko descreve como uma “avalanche de elétrons”.

Raios X ionizantes

À medida que os elétrons colidem com as moléculas, parte da energia perdida pelos elétrons é irradiada na forma de raios-X. Esses raios X viajam em todas as direções – inclusive de volta ao longo do caminho da avalanche de elétrons. Como resultado, os raios X podem ionizar mais moléculas a montante da avalanche, liberando mais elétrons e tornando os TGFs ainda mais brilhantes.

Depois que esse modelo inicial foi concebido no início dos anos 2000, os pesquisadores tentaram recriar o comportamento em simulações de computador. Até agora, no entanto, essas simulações não conseguiram imitar de perto os tamanhos dos TGFs observados em relâmpagos reais.

Pasko e seus colegas acreditam que essa falta de sucesso está relacionada ao tamanho relativamente grande dessas simulações, que geralmente modelam regiões com vários quilômetros de diâmetro. No entanto, este último trabalho sugere que os TGFs normalmente se formam em regiões altamente compactas (variando de 10 a 100 m de tamanho) ao redor das pontas dos líderes de raios. Até agora, as razões que cercam essa compacidade permaneceram em grande parte um mistério.

Limite mínimo

Em seu estudo, os pesquisadores assumiram que os TGFs só se formam quando a força do campo elétrico do líder do raio excede um valor limite mínimo. Ao simular regiões mais compactas do espaço, Pasko e seus colegas conseguiram identificar esse limiar. Além disso, os TGFs produzidos dessa maneira correspondiam às observações reais muito mais de perto do que as simulações anteriores.

Relâmpago cria isótopos radioativos

Pasko e seus colegas esperam que futuras simulações possam imitar o mecanismo de avalanche de elétrons do TGF com muito mais precisão – potencialmente levando a novas técnicas para produzir raios-X em laboratório. “Na presença de eletrodos, o mesmo mecanismo de amplificação e produção de raios X pode envolver a geração de elétrons fugitivos do material do cátodo”, explica Pasko.

Em última análise, isso pode levar a insights mais profundos sobre como os raios-X podem ser produzidos por meio de descargas elétricas controladas em gases. Isso pode levar a fontes de raios X compactas e altamente eficientes. Pasko conclui: “prevemos muitas pesquisas novas e interessantes para explorar diferentes materiais de eletrodos, bem como regimes e composições de pressão de gás que levariam a uma produção aprimorada de raios-X a partir de pequenos volumes de descarga”.

O trabalho é descrito em Geophysical Research Letters.

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