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研究人員發現將反物質拋擲進入太空的雷暴

2011/01/28 | | 標籤:

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peregrine,轉載自PEREGRINE科學點滴

圖片來源:NASA

利用美國航太總署之費米γ-射線太空望遠鏡(NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope)的科學家們業已發現,於地球雷暴(thunderstorms)上方產生的反物質束。這是先前未曾被發現的現象。

科學家們認為,此些反物質粒子是在陸地的γ-射線閃光(terrestrial gamma-ray flash:TGF)中形成的。陸地的γ-射線閃光是雷暴中產生的短暫爆叢(burst),且經證實與閃電有所關聯。據估,全世界每天約發生500次TGFs,不過多數未被發現。

美國阿拉巴馬州亨茨維爾市阿拉巴馬大學費米γ-射線太空望遠鏡的γ-射線爆叢監測器團隊(Fermi`s Gamma-ray Burst Monitor team at the University of Alabama in Huntsville)成員Michael Briggs宣稱:「此些表徵是雷暴產生反物質粒子束的首度直接證據。」2011年1月10日星期一,Briggs在美國天文學會(the American Astronomical Society)於西雅圖市的年會簡報中,提出了該項研究發現。

費米γ-射線太空望遠鏡旨在監測γ射線(光的最高能形態)。當擊中費米γ-射線太空望遠鏡的反物質與正常物質的粒子碰撞時,這兩種粒子立即被湮滅轉變成γ射線。目前,該γ-射線爆叢監測器業已偵測到具有51萬1千電子伏特能量的γ射線,這是顯示電子已經與其反物質對應物(正電子)發生碰撞的表徵。

雖然費米γ-射線太空望遠鏡的γ-射線爆叢監測器旨在觀測宇宙中的高能事件。不過也提供了上述奇特現象的重要洞察力。γ-射線爆叢監測器不斷地監測整個蒼穹及地球上空。打從2008年費米γ-射線太空望遠鏡發射升空以來,該γ-射線爆叢監測器團隊業已確認了130次TGFs。

位於華盛頓市之美國航太總署總部的費米γ-射線太空望遠鏡計劃科學家Ilana Harrus宣稱:「於軌道中運行不到3年,費米γ-射線太空望遠鏡的任務業已證實,這是十分令人訝異的宇宙探索工具。目前他們得知,該工具能發現極接近地球的諸多神秘事物。」

就多數被觀測到的TGFs而言,該航天器(spacecraft)是直接處於雷暴上方,不過於四次事例中,雷暴是遠離費米γ-射線太空望遠鏡的。此外,被全球監測網偵測到之產生閃電的無線電信號(radio signals)顯示,那時僅有的閃電是在數百餘英里之外。在發生於2009年12月14日的一次TGF期間,費米γ-射線太空望遠鏡是處於埃及(Egypt)上空。不過,該劇烈雷暴是在南方約2800英里處的尚比亞(Zambia)。該遙遠雷暴是在費米γ-射線太空望遠鏡的視域(horizon)以下方,因而其產生的任何γ射線不可能被偵測到。

美國佛羅里達州墨爾本市佛羅里達工學院(the Florida Institute of Technology in Melbourne, Fla.)的Joseph Dwyer宣稱:「儘管費米γ-射線太空望遠鏡無法察覺此雷暴,該航天器與此次雷暴仍然靠磁性作用被聯繫在一起。因為,該TGF產生了電子及正電子,而後此些粒子拱起了襲擊該航天器的地球磁場。」

射束不斷通過費米γ-射線太空望遠鏡,在到達被通稱為鏡點(mirror point)的位置時,其行進方向被逆轉,而後撞擊上該航天器。每次,射束中的正電子與該航天器中的電子產生碰撞。此些粒子互相湮滅,從而發出被費米γ-射線太空望遠鏡之γ-射線爆叢監測器偵測到的γ射線。

長久以來,科學家們懷疑TGFs起源於靠近雷暴頂端的強大電場。他們表示,在適當的諸多條件下,電場變強到足以驅動向上雪崩(avalanche)的電子。此些達到近乎光速的高能電子,因空氣分子而偏移時,發出γ射線。通常,此些γ射線以TGF的方式被偵測到。

不過,此些級聯的電子(cascading electrons)產生很多γ射線,以至於徹底地將電子及正電子轟擊出大氣層。這發生於γ射線的能量轉變成電子及正電子的粒子對時。而到達費米γ-射線太空望遠鏡之軌道的就是此些粒子。

正電子的發現證實,很多高能粒子從大氣層被逐出。其實,目前科學家們認為,所有TGFs皆發出電子與正電子束。《地球物理研究記事》(Geophysical Research Letters)期刊已同意刊出有關此研究發現的論文。

杜克大學(Duke University)的Steven Cummer宣稱:「費米γ-射線太空望遠鏡的研究結果,使人們更接近瞭解TGFs如何起作用。不過,人們仍需理解有關此些雷暴,有何特殊地方及閃電於此些過程中的確切角色。」

費米γ-射線太空望遠鏡是美國航太總署與美國能源部合作研發之研究天體物理及粒子物理的工具。該望遠鏡是由美國航太總署位於馬里蘭州綠地市的戈達德太空飛行中心(NASA’s Goddard space Flight Center in Greenbelt, Md)進行操縱管理。

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