Миссия «Светлячок»: Вспышки в небе

«На самом деле, до 1990-х вообще никто и не подозревал, что TGF существуют, — поясняет Даг Роуланд (Doug Rowland), — хотя потенциально они могут служить самыми мощными ускорителями частиц на нашей планете». Действительно, в такой вспышке отдельные частицы приобретают огромную энергию, иногда более 20 МэВ. Для сравнения: энергия частиц, вызывающих масштабное явление полярных сияний, меньше в тысячи раз.

Словом, сегодня о TGF вопросов куда больше, чем ответов. Что вызывает эти вспышки? В чем состоит их связь с грозовыми молниями — стимулируют ли они появление разрядов, или наоборот? Связаны ли TGF с «поставкой» высокоэнергетических частиц в радиационный пояс Земли, где они становятся опасными для спутников на орбите?

Чтобы дать ответ хотя бы на часть из этих вопросов, ученые, в том числе и Дуглас Роуланд, готовят к запуску небольшой спутник, получивший романтическое название Firefly, т. е. «светлячок». По плану, старт должен состояться в этом или следующем году. Миниатюрные размеры позволяют специалистам уложиться в скромную сумму 1 млн долларов (тогда как типичная «средняя» орбитальная миссия обходится в сотню раз дороже). Сэкономить можно и на запуске: аппарат может быть выведен в космос в рамках программы CubeSat, как «довесок» при запуске обычных крупных спутников.

Если все пройдет, как задумано, Firefly вскоре пришлет первые данные. Для начала он попробует провести одновременные наблюдения молний и гамма-вспышек, причем с близкого расстояния и специально подготовленной аппаратурой. Ведь до сих пор TGF’ы изучались почти «случайно», спутниками, которые создавались для исследования гамма-всплесков в далеком космосе — такими, как орбитальная гамма-обсерватория Compton, которая как раз и открыла TGF’ы в 1994 г. Их совместные наблюдения позволяют пока что составить лишь очень приблизительную — и очень интересную — картину того, как происходят гамма-вспышки в нашем небе.

Грозовые процессы в атмосфере создают мощные и быстро меняющиеся электромагнитные поля, которые простираются высоко в самые дальние ее слои. Эти поля разгоняют свободные электроны до околосветовых скоростей. Такие «снаряды» сталкиваются с ядрами атомов газа, при этом выбрасывая гамма-излучение — и новые свободные электроны, которые участвуют в каскаде событий.

Стоит заметить, что для невооруженного глаза TGF — штука куда более скучная, чем сама гроза. Львиная доля энергии этого события выбрасывается в гамма-диапазоне, для нашего зрения недоступном. Они не приводят к появлению ярких вспышек или сияния. По крайней мере, напрямую — ведь возможно, именно они являются зародышами молний, которые уже представляют собой весьма интересное зрелище.

Ведь ученым до сих пор мало известно о том крохотном мгновении, которое запускает атмосферный разряд. Судя по всему, турбулентные потоки внутри грозового облака приводят к разделению электрически заряженных частиц, порождая огромное напряжение. Но расчеты показывают, что напряжение, которое требуется для ионизации молекул в воздухе и создания первой «искры», раз примерно в 10 больше, чем то, что мы наблюдаем в глубине неспокойной грозовой тучи. «Мы знаем, как туча заряжается, — замечает Даг Роуланд, — мы не знаем, как она разряжается».

Возможно, именно гамма-вспышки и становятся той «искрой», из которой разгорается пламя разряда молнии. Если это так, то в верхних слоях атмосферы должно постоянно генерироваться весьма внушительное количество TGF, больше, чем, по текущим данным, появляется. Данные телескопа Compton и его «коллег» показывают, что в день над Землей происходит менее 100 вспышек. За тот же день земные грозы приводят к миллионам ударов молний. Разрыв очевиден.

Однако не стоит отчаиваться: все-таки, ни Compton, ни другие орбитальные гамма-телескопы не создавались для наблюдения атмосферных гамма-вспышек. К тому же, воздух, как среда, весьма эффективно, поглощает гамма-излучение (к счастью: тем самым он защищает нас от этого опасного вида лучей). Весьма вероятно, что наши аппараты просто не все улавливают — и наблюдения «светлячка» Firefly позволят заполнить этот пробел.

Вообще, молнии — одно из самых впечатляющих, но и самых загадочных явлений природы. Читайте о них (и о перспективах их боевого использования) в нашей статье «Секретное оружие богов».

По информации NASA