Only Perception: Fermi 新發現：雷暴雨將「反物質」擲出太空

2011-02-10

Fermi 新發現：雷暴雨將「反物質」擲出太空

Thunderstorms hurling antimatter into space caught by Fermi (w/ Video)
http://www.physorg.com/news/2011-01-thunderstorms-hurling-antimatter-space-caught.html

January 11, 2011

(PhysOrg.com) -- 科學家利用 NASA 的 Fermi Gamma 射線太空望遠鏡偵測到在地球的雷暴雨（thunderstorms，雷雨）上方產生的反物質粒子束 -- 此一現象前所未見。

科學家認為反物質粒子是在地表 Gamma 射線閃光（terrestrial gamma-ray flash，TGF）中形成，那是在雷暴雨中產生的短暫爆發且經證實與閃電有關。據估計，全世界每日會發生大約 500 次 TGFs，但絕大多數未經過偵測。

"這些訊號是雷暴雨製造反物質粒子束的首個直接證據，" Michael Briggs 說。他是位於 Alabama 大學 Huntsville 分校的 Fermi Gamma-ray Burst Monitor（GBM，Gamma 射線爆監測）小組成員。他週一在 American Astronomical Society 西雅圖會議中的一場新聞簡報上發表這些發現。

Fermi 被設計用來監測 gamma 射線，能量最高的光形態。當反物質擊中 Fermi 與某種一般物質的粒子相撞時，這二種粒子瞬間湮沒（annihilated）並轉變成 gamma 射線。GBM 偵測到能量有 511,000 電子伏特的 gamma 射線，這樣的訊號指出，一個電子遇到它的相對反物質，正電子（positron）。

雖然 Fermi 的 GBM 被設計成觀測宇宙中的高能事件，但對於這種奇異現象它也提供有價值的洞見。GBM 不斷監測上方整個星空與下方的地球。自 2008 年 Fermi 發射升空以來，GBM 團隊已確認 130 次 TGFs。

"在繞行不到三年的時間內，Fermi 任務已經證明是一種探測宇宙的驚人工具。現在，我們學到，它能發現非常非常靠近我們家的神祕事件，" Ilana Harrus 表示，位於 NASA 總部的 Fermi 計畫科學家。

在雷暴雨上方，這艘太空船能立即將絕大多數被觀測到的 TGFs 定位，不過有四例，暴風雨離 Fermi 很遠。此外，被一個全球監測網路所偵測到的、由閃電所產生的無線電訊號指出，那時唯一的閃電有數百英里以上之遙。

在某個 TGF 期間，那在 2009 年十二月 14 日發生，Fermi 位於埃及上方。不過當時暴風雨在尚比亞境內，大約在南方 2,800 英里處。這個遠方風暴位於 Fermi 的地平線下方，所以其所產生的任何 gamma 射線都沒有被偵測到。

"雖然 Fermi 無法看見暴風雨，不過這艘太空船在磁力上還是連接到它，" Florida 理工學院的 Joseph Dwyer 表示。"TGF 產生高速電子與正電子，那接著搭上地球的磁場擊中太空船。"

粒子束繼續通過 Fermi，抵達某個位置，稱為磁鏡點（mirror point），在此它的運動逆轉，而且就在 23 毫秒後第二次撞到太空船。每一次，粒子束中的正電子與太空船中的電子相撞。這些粒子相互湮滅，發出由 Fermi 的 GBM 所偵測到的 gamma 射線。

科學家早就懷疑 TGFs 源自於靠近雷暴雨上方的強烈電場。他們說，在正確條件下，此電場會變得強到足以驅使一種向上的電子累崩（upward avalanche of electrons）。當速度幾乎與光一樣快速、且因空氣分子而偏轉時，高能電子會發出 gamma 射線。一般來說，這些 gamma 射線會被偵測為 TGF。

但噴瀉而出的電子產生太多 gamma 射線，以致於它們將電子與正電子射出大氣層。當 gamma 射線能量轉變成一對粒子：電子與正電子時，會發生這件事。正是這些粒子抵達 Fermi 的軌道。

偵測到正電子證明，有許多高能粒子從大氣層射出。事實上，科學家現在認為，所有的 TGFs 會發出電子／正電子束。一篇就此發現而寫的論文已獲 Geophysical Research Letters 認可發表。

"這些 Fermi 結果使我們更進一步了解 TGFs 如何作用，" Duke 大學的Steven Cummer 表示。"我們仍要找出這些暴風雨有何特殊之處，以及閃電在此過程中所扮演的精確角色。"

※ 相關報導：

＊ Giant natural particle accelerator discovered above thunderclouds
http://www.physorg.com/news190485260.html

＊ Electron-positron beams from terrestrial lightning observed with Fermi GBM
http://europa.agu.org/?view=article&uri=/journals/gl/gl1102/2010GL046259/2010GL046259.xml

Michael S. Briggs, Valerie Connaughton, Colleen Wilson‐Hodge,
Robert D. Preece, Gerald J. Fishman, R. Marc Kippen,
P. N. Bhat, William S. Paciesas, Vandiver L. Chaplin,
Charles A. Meegan, Andreas von Kienlin, Jochen Greiner,
Joesph R. Dwyer, and David M. Smith.
Geophys. Res. Lett., 38, L02808,
doi: 10.1029/2010GL046259.