✨Chớp tia gamma địa cầu
phải|nhỏ|261x261px| Minh họa về chớp tia gamma và các hiện tượng liên quan. phải|nhỏ|265x265px|Các chấm đỏ thể hiện một số trong gần 500 đợt chớp gamma địa cầu được phát hiện hàng ngày bởi [[Kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi trong năm 2010.]] Chớp tia gamma địa cầu (TGF) là một đợt bùng phát các chùm tia gamma được tạo ra trong bầu khí quyển của Trái Đất. Các đợt TGF đã được ghi nhận tới nay kéo dài từ 0,2 đến 3,5 mili giây và có năng lượng lên tới 20 triệu electronvolt. Người ta suy đoán rằng các TGF được gây ra bởi các điện trường cực mạnh được tạo ra phía trên hoặc bên trong các cơn giông bão, do đó còn có tên gọi thông thường là sét đen. Các nhà khoa học cũng đã phát hiện ra các hạt positron và electron cao năng lượng tạo ra bởi các chớp tia gamma địa cầu.
Khám phá
Các đợt chớp tia gamma địa cầu được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1994 bởi máy dò BATSE, hay Burst and Transient Source Experiment, ở trên Trạm thiên văn Compton Gamma-Ray, một tàu vũ trụ của NASA. nhiều hơn so với suy nghĩ trước đây nhưng vẫn chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng số các đợt sét đánh trên Trái Đất (trung bình có 3 triệu các sự kiện sét mỗi ngày). Vài năm sau, các nhà khoa học sử dụng Kính viễn vọng không gian tia gamma Fermi của NASA, được thiết kế để theo dõi tia gamma, và ước tính có khoảng 500 đợt TGF xảy ra hàng ngày trên toàn thế giới, nhưng hầu hết không bị phát hiện ra.
Cơ chế
nhỏ|Giả thuyết về sự hình thành TGF bên trên một đám mây dông, kích hoạt bởi các trường bị phân rã sau một vụ phóng điện sét lớn. Mặc dù chi tiết của cơ chế hình thành là chưa chắc chắn, nhưng giới nghiên cứu đã có một sự đồng thuận về các điều kiện vật lý để chúng hình thành. Người ta cho rằng các photon của TGF được phát ra bởi các electron di chuyển với tốc độ rất gần với tốc độ ánh sáng va chạm với hạt nhân các nguyên tử trong không khí và giải phóng năng lượng của chúng dưới dạng tia gamma (sự bức xạ hãm hay còn gọi là bremsstrahlung Các hạt neutron đã được đo đạc trong các lần phóng điện, trong khi không có xác nhận thực nghiệm nào về các proton liên quan đến sự phóng điện (2016). Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng lưu lượng của các neutron này nằm trong khoảng từ 10−9 đến 10−13 mỗi mili giây và mỗi m2 tùy thuộc vào độ cao phát hiện. Năng lượng của hầu hết các neutron này, ngay cả với các hạt có năng lượng ban đầu tới 20 MeV, giảm xuống mức chỉ vài keV trong vòng 1 mili giây.
Người ta đã phát hiện ra trong 15 năm qua rằng trong số các quá trình sét có một số cơ chế có khả năng tạo ra tia gamma, thoát ra khỏi bầu khí quyển và được quan sát bởi tàu vũ trụ trên quỹ đạo. Được công bố bởi Gerald Fishman của NASA vào năm 1994 trong một bài báo trên tạp chí Khoa học, những tia được gọi là chớp tia gamma địa cầu (TGF) này đã được quan sát một cách tình cờ, trong khi ông đang ghi chép về trường hợp phát ra tia gamma từ ngoài không gian được quan sát bởi Trạm thiên văn Compton Gamma Ray (CGRO). Tuy thế các TGF so với chúng có thời lượng ngắn hơn nhiều, chỉ kéo dài khoảng 1 mili giây.
Giáo sư Umran Inan của Đại học Stanford đã liên kết một TGF với một vụ sét đánh riêng lẻ xảy ra trong vòng 1,5 mili giây của sự kiện TGF, lần đầu tiên chứng minh rằng TGF có nguồn gốc khí quyển và liên quan đến các đợt sét đánh.
CGRO chỉ ghi nhận khoảng gần 77 sự kiện trong vòng 10 năm; tuy nhiên, gần đây hơn, tàu vũ trụ Máy ảnh quang phổ mặt trời năng lượng cao Reuven Ramaty (RHESSI), như theo báo cáo của David Smith từ Đại học Santa Cruz, đã quan sát thấy các TGF với tần số cao hơn nhiều, cho thấy những sự kiện này xảy ra trung bình khoảng 50 lần mỗi ngày trên toàn cầu (vẫn là một phần rất nhỏ trong tổng số các đợt sét trên hành tinh). Các mức năng lượng được ghi nhận vượt quá ngưỡng 20 MeV.
Các nhà khoa học từ Đại học Duke cũng đang nghiên cứu mối liên hệ giữa một số sự kiện sét nhất định và sự phát xạ tia gamma bí ẩn, phát ra từ bầu khí quyển Trái Đất, dưới sự quan sát mới hơn về các TGF từ RHESSI. Nghiên cứu của họ cho thấy sự phun lên các bức xạ gamma này tới từ một điểm đầu ở một độ cao thấp đáng ngạc nhiên trong đám mây dông.
Steven Cummer, từ Trường Kỹ thuật Pratt của Đại học Duke, cho biết: "Đây là những tia gamma mang năng lượng cao hơn so với những tia đến từ Mặt trời. Tuy nhiên, ở đây, chúng đến từ loại giông bão trên mặt đất mà chúng ta đây thường quen thấy."
Những giả thuyết ban đầu về điều này chỉ ra rằng sét tạo ra các điện trường cao và cưỡng bức dòng electron chạy trốn tương đối tính ở độ cao trên đám mây nơi có bầu khí quyển mỏng cho phép các tia gamma dễ dàng thoát ra ngoài không gian, tương tự như cách thức tạo ra các sprite. Tuy nhiên, các bằng chứng tiếp theo đã đề xuất thay vào đó rằng, các TGF có thể được tạo ra bằng sự cưỡng bức các dòng lan truyền thác lũ electron tương đối tính ở ngay trong hoặc trên những đám mây dông cao. Mặc dù bị thách thức bởi sự hấp thụ tia gamma phát ra bởi khí quyển, những lý thuyết này không đòi hỏi các tia sét cực mạnh mà các lý thuyết TGF hình thành trên cao dựa vào.
Vai trò của TGF và mối quan hệ của chúng với sét vẫn là một chủ đề nghiên cứu khoa học vẫn đang tiếp diễn.
Vào năm 2009, Kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi trên quỹ đạo Trái Đất đã quan sát thấy sự bùng nổ mạnh mẽ của các tia gamma tương ứng với phân rã các positron ra khỏi vùng hình thành bão. Các nhà khoa học sẽ không ngạc nhiên khi thấy một vài hạt positron riêng lẻ kèm theo với bất kỳ vụ nổ tia gamma mạnh nào, nhưng các tia chớp được phát hiện bởi Fermi dường như đã tạo ra khoảng 100 nghìn tỷ positron. Điều này đã được báo chí đưa tin vào tháng 1 năm 2011, và chưa từng được quan sát trước đó.
Dự án Giám sát tương tác Khí quyển-Không gian (ASIM) của Cơ quan Vũ trụ châu Âu ESA là một thí nghiệm chuyên để nghiên cứu về các TGF, được phóng lên trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) vào ngày 2 tháng 4 năm 2018 và được lắp đặt vào mô-đun Comlumbus vào ngày 13 tháng 4 cùng năm.