日本的研究人員正在徵募一班公民，以探索地球上的風暴如何產生極端的輻射爆發。
日本部分地區的雷暴以產生γ射線閃光和輝光而聞名。信用：音羽電氣
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在金澤巖mig岡高中的上方，研究人員Teruaki Enoto和Wuuki Wada用一臺方形儀器摔跤，試圖將其固定在屋頂上，狂風拂面。附近的風向標擺動不定，遠處的山脈上空聚集著雲朵，所有風暴的跡象都在朝著日本海的方向醞釀。這正是Wada和Enoto所希望的天氣。他們正在安裝的裝置將在噴出γ輻射時監視雷暴，這是物理學家渴望理解的神秘過程。
作為宇宙中能量最高的電磁輻射，γ射線通常來自遙遠的地方-來自黑洞，超新星和其他極端宇宙環境。它們通常是由以接近光速行進的電子浪湧產生的。但是在1980年代和1990年代，物理學家發現地球上的雲還發出了不可見的γ射線：短而強烈的毫秒級爆發以及較弱而持久的輝光。不知何故，某些風暴會加速數十億個電子，使其接近光速以產生這些γ射線。“這是如何在地球大氣層中發生的，這是一個謎，”日本Sa玉縣極端自然現象RIKEN Hakubi研究小組的物理學家Wada說。
這個問題使他在不斷增長的風暴中陷入了困境。物理學家不僅希望瞭解這種高能過程，而且還希望將輻射用作研究雷暴的一些基本問題的新鮮鏡頭。甚至有希望，γ射線可以幫助大氣科學家闡明百年曆史的引發閃電的問題。
但是捕捉這些強烈的光線並不容易。儘管衛星已經發現了數千毫秒的地面γ射線閃光（TGF），但這些測量結果無法提供足夠接近的檢視來詳細揭示產生它們的機制。以前已經證明很難從地球上研究TGFs，科學家已經觀察到僅在少數幾個地方存在的發光時間更長。
研究人員和田有紀和Enu的Teruaki Enoto身穿γ射線探測器，身處金澤巖mig岡高中上方。信用：GROWTH合作/雷雲計劃
金澤是捕捉輝光和閃光的最佳場所之一。該城市位於日本中部本州島的西北側，經常看到強大的雷雲，冬天從西伯利亞滾滾而來，並懸停在離地面不到1公里的地方。由於雲層很低，因此風暴釋放的輻射可以到達地面，而不是被大氣吸收。
天體物理學家Enoto在RIKEN Hakubi實驗室領導的這個小組，在理解這些高能現象方面正在迅速發展，達勒姆郡新罕布什爾大學的大氣物理學家Joseph Dwyer說。他說：“這些是該領域世界上最好的研究人員之一。”
閃電產生新的同位素在全球範圍內，一些地面小組正在觀察風暴帶來的γ射線，其中包括大型設施的團隊，這些團隊旨在觀察來自外太空的高能粒子。但是，透過使用檢測器網路，這個小型的日本團隊在發現這一現象方面一直是世界上最成功的團隊之一-自2015年1月起，以不菲的預算，設法檢測出十種TGF和數十種輝光。
Wada和Enoto為他們的計劃制定了大計劃，稱為雷雲計劃。他們現在正在日本公民的幫助下擴大其工作。今年，該團隊將在學校，寺廟和房屋中建立一個由約50個探測器組成的網路，使他們能夠捕捉更多的γ射線，繪製事件並跟蹤其整個生命週期，這是以前從未嘗試過的。該專案的成員，柏樹Kavli宇宙物理與數學研究所科學傳播研究員Ikotai Yuko說，在日本，該專案是物理學透過公民科學利用研究成果的首次嘗試之一。 。
隱藏的閃光燈1985年，當攜帶輻射探測器的NASA噴氣式飛機在雷暴中飛行時，科學家首次看到γ射線從地球發出。它吸收了雲層發出的微弱輻射，然後閃過雷電。然後，在1994年，美國國家航空航天局（NASA）的康普頓伽瑪射線天文臺（Comton Gamma Ray Observatory）旨在研究宇宙的探測器探測到了來自雷雲的TGF，這是更亮的γ射線爆發，僅持續幾百微秒。德懷爾說，這出乎意料，因為這些爆炸源於“宇宙中每個人都不知道應該從哪裡發出γ射線的地方”-地球。
在宇宙的其他地方，在高能環境中（例如黑洞周圍），帶電粒子束會加速接近光速，並在粒子與氣體和灰塵碰撞時產生γ射線。現在，在地球上，研究人員認為在某些型別的雷雲中也會發生類似的情況，其中強電場將電子加速到極速。但是物理學家不知道產生γ射線所需的電場強度有多大或強度如何，也不知道風暴產生TGF所需要的電子數量是多少。“目前，這是一個深層次的問題，” Enoto說。
在日本神奈川縣夏季風暴期間的閃電。信用：和田由紀
衛星觀察發現，它們通常會檢測到向太空行進的轉化生長因子，這表明閃電與雷擊同時發生。每1,000次打擊中就有1次建立TGF，這意味著每天在地球周圍發生數千次閃光。但是衛星距離行動太遠，無法提供更多細節。從暴風雨上方几百公里的有利位置，快速移動的衛星可能每次爆炸只能捕獲少量光子，並難以確定其位置。他們也沒有看到弱得多的γ發光。
飛機和氣球也不是研究閃光的理想平臺，因為它們會破壞自然現象並對研究人員造成危險。地面上的探測器比衛星提供的視野更近，但是它們幾乎不足以抵禦暴風雲，因此γ射線在撞擊地面之前會被很好地吸收。
“我們確實需要對這些東西進行特寫和詳細的測量，” Dwyer說。
公民科學Enoto和他的團隊可以接近金澤的風暴。在2019年底，在冠狀病毒大流行停止國際旅行之前，他們透過重新安裝該季節的第一個探測器來為冬季運動做準備。在乘坐計程車前往學校時，Enoto注意到鮮紅色的秋葉吸引著遊客到金澤著名的公共花園。他說，這座城市“美麗而古老，有美味的食物”。但是對於研究人員來說，這是該市最好的資產，頻繁的閃電和低空雷暴的結合。他說：“這裡的雷暴很特殊。”
雷雲計劃始於2015年，當時Enoto曾在美國的五年工作中回來，並重新點燃了十年前對該主題的熱情。作為2006年的一名博士生，Enoto和RIKEN的物理學家土屋春文（Harufumi Tsuchiya）安裝了探測器，以探索由日本海沿岸，距金澤不遠的核電站周圍的γ射線監測站所採集的奇怪的類似噪聲的訊號。探測器證實，這種峰值來自冬季雷雲透過頭頂2。
當他在2015年返回時，Enoto的主要研究領域是X射線的宇宙來源。但是他從未忘記離家更近的那迷人的輻射。與土屋團聚後，他著手建立一支探測器隊，以探索位於石川縣和新瀉縣東北的金澤大片地區周圍的這些γ射線訊號。他們計劃的關鍵是製造便宜的臺式γ射線探測器，並將其安裝在數十個地點。Wada加入團隊並領導了該緊湊型裝置的設計，該裝置使用了60美元的小型Raspberry Pi計算機以及鍺酸鉍晶體，該材料在受到γ射線光子撞擊時會發光。他們的實驗利用了高能物理學中的工具，這是大氣科學家很少使用的工具。Wada說：“這是世界的融合。”
起初，該專案很難獲得政府的研究資助，部分原因是該專案介於粒子物理學和大氣科學之間。但是，該團隊得以透過日本研究眾籌平臺Academist從150個支持者那裡捐贈了160萬日元（合1.5萬美元），建造了第一代探測器。
在他們的第一個活動中，研究人員在金澤及周邊城市安裝了16個探測器，並於2017年取得了重大發現。他們觀察到一系列有說服力的γ射線訊號，這些訊號只能由雷暴中的核反應引起。他們具有里程碑意義的發現證明，γ射線可以將中子從空氣中的原子中撞出，使其具有放射性3。這一發現證實了一個假設的過程的存在，該過程產生了大氣中某些放射性碳14的供應，研究人員在對古代材料進行碳定年時使用了這種同位素。
現在，該團隊正在進一步擴大規模，以發現更多的γ射線事件並更好地瞭解是什麼原因造成的（請參見“伽馬射線工廠”）。金澤是一個理想的地點，因為它有一個廣闊的內陸平原，可以容納一系列探測器，從而使研究人員能夠跟蹤來自行進雲的訊號。Enoto與一傢俬營公司合作設計了一種更小，更便宜的探測器，他的團隊計劃將其分發給全市的公民科學家進行安裝和操作。
社交網路每個帶有GPS定位器標記的黃色框都稱為緊湊型伽馬射線監測儀或CoGaMo（金澤本地一種小鴨子的日語名稱）。除現有的探測器網路外，該團隊現已在人們的花園和房屋中放置了十個CoGaMos。協調該專案的公民科學元素的Ikkatai表示，大多數參與者都是朋友的朋友，其話語已經透過渴望的高中教師網路傳播開來。
今年晚些時候，在招募了更多參與公民科學工作的參與者之後，研究小組希望有50臺探測器投入使用，明年有100臺投入使用。該陣列將以間隔約1公里的探測器覆蓋該區域。Enoto說，儘管完整的公民科學專案尚未推出，但它“已經比我最初的X射線天文學領域受到更多關注”。
為了招募公民科學家，該團隊與天氣預報公司Weathernews合作，該公司已經使用了一批志願者來拍攝和提交照片，以改善公司的實時天氣報告。公眾將能夠使用Weathernews Web系統在暴風雨期間上傳照片，並且帶有CoGaMo檢測器的人將在γ射線發光期間收到自動提示。
Enoto說，這樣的資料將是無價的，在活動期間揭示諸如雲的結構，幾何形狀，大小和顏色等特徵。“我想知道的最大問題是，什麼樣的雷暴可以產生γ射線？” 他說。“我們不知道雷暴的標準型別與顯示γ射線的奇怪型別之間的區別是什麼。”
太空站攝像機揭示雷暴如何觸發伽馬射線爆發美國國家嚴重暴風雨實驗室和俄克拉荷馬大學的大氣科學家Vanna Chmielewski說，公民照片在產生γ射線時會比使用雷達或其他常規方法更完整地展現雷雲的特徵。都在諾曼。她說：“坦白說，公民科學部分是我最興奮的工作之一。”
Enoto的團隊希望使用其探測器來了解γ射線發射區域的大小，以及它們如何隨時間和空間以及雲的運動而變化。加州大學聖克魯斯分校的物理學家戴維·史密斯（David Smith）說，該小組成功的關鍵之一是“他們已經能夠將這些東西放到所有地方”。自從那時以來，他一直在研究風暴中的高能現象。 2000年代初期。
雷暴中發生的不可見γ射線閃爍可能是由雷擊觸發的。信用：音羽電氣
Smith和他的同事與靜岡大學的物理學家Masgawa Kamogawa合作，還在金澤地區的日本土壤上安裝了一個單一的探測器系統。到目前為止，他們只看到了兩次γ射線閃光。但是，史密斯小組現在希望透過製作更小，更便宜且不太敏感的版本來模仿Enoto的方法，該版本可以由數百人生產並廣泛分發-也許是與RIKEN團隊合作。“那是我的夢想，”他說。
雲內物理學家瞭解發光和TGFs背後的基本過程，但仍有許多問題。一個關鍵因素是雷雲中的強電場。當上升的空氣流將冰晶帶過下降的冰雹時，便形成了磁場。兩者之間的摩擦在雲的不同部分形成了帶負電荷和帶正電荷的顆粒的單獨池。這些領域是天然粒子促進劑。如果一個非常高能量的電子（也許是由外層空間的宇宙射線產生的）進入雲層的電場，它可以克服空氣的摩擦，加速到接近光速4。
當電子撞擊空氣原子時，它會釋放出在發光和閃爍中看到的γ射線，此過程稱為致輻射。電子的倍增是因為每次碰撞都可以在鏈反應中將更多的電子從原子中剔除，從而產生大量雪崩粒子和大量γ射線5。
雷電核反應在γ射線發光中，這種粒子級聯發生的速度很慢。在TGF中，它具有爆炸性。史密斯說，這就像發電廠的核反應與裂變炸彈中發生的反應之間的區別。
謎底在於細節。研究人員知道的加速器機制不能產生足夠的電子來產生TGF，這意味著其他一些過程也必須發揮作用。γ射線現象與閃電之間的聯絡也仍然模糊。閃光燈會在雷擊開始時出現，並可能由它們觸發，而輝光可以在雷擊發生前幾分鐘開始。
Enoto希望他的專案資料將有助於增進對這些天然粒子加速器的瞭解。他的探測器可以看到TGF，但是閃光燈是如此明亮，以至於使儀器飽和，因此研究人員還無法對其進行詳細研究。如果當前的現場試驗成功，Wada希望在CoGaMos中安裝額外的探測器，以更好地捕獲TGF，從而幫助研究人員在有關其起源的競爭觀點之間做出決定。
研究人員提出了兩種主要可能性。一種假設認為，電子是在閃電“引線”的尖端釋放的，“引線”是在較大的可見雷電流之前出現的狹窄導電通道。根據這個想法，領導者尖端的極端電場可使空氣電離，產生數萬億個“種子”電子。
德懷爾（Dwyer）稱之為暗閃電的另一種提出的機制說，雪崩過程本身會產生比最初提出的更多的電子，因為高能電子產生的某些γ射線會觸發全新的級聯反應-雪崩的雪崩。 。
目前，日本陣營的真正實力將在於探尋閃爍的光芒，即閃光的小表情。該小組現在每年在金澤看到20次發光，並使用來自射頻接收器的資料繪製閃電圖-與合作者合作，後者使用無線電發射來檢測罷工的強度和位置，並利用雷達。
該團隊希望使用其陣列來追蹤發光體在漂移數公里時的發光，以瞭解產生它們的風暴中強電場的壽命，包括粒子加速如何開始，如何發展以及如何停止。
在2019年，該團隊成為第一個明確顯示出不斷增長的輝光的人，該輝光突然以γ射線閃光以及閃電6終止。“這是一個美麗的結果，”史密斯說。對Enoto來說，這暗示著引起輝光的高能電子流可能觸發閃電及其相關的TGF，但該團隊需要更多觀察才能得出結論。他說，這個想法是“令人興奮的可能性”。
閃電源引發閃電的原因是大氣科學中最大的謎團之一。Chmielewski說：“本傑明·富蘭克林（Benjamin Franklin）幾個世紀以前就研究過閃電，但我們仍然對它的形成和發展知之甚少。” 問題在於，到目前為止，在風暴中看到的電場似乎太弱，無法將空氣中的原子電離，這一過程使閃電形式的電流能夠將兩個分開的電荷區域連線起來。
物理學家Ashot Chilingarian說，確實有證據表明，所涉及的電子雪崩可能會為雷電領導者開啟道路。他的團隊位於亞美尼亞埃裡溫物理研究所山頂Aragats宇宙射線研究站，是世界上唯一看到大量發光的目擊者，目睹了數百起事件。他們用一個更籠統的術語（雷雨地面增強）來指稱輝光，因為它們的探測器還會拾取電子和其他撞擊粒子。
為什麼隨著氣候變暖，極端降雨正在增強長時間以來，雷電仍然是一個謎的一個原因是，很難安全地研究暴風雲內部的電場。德懷爾說，無論發光是否觸發，它們都是研究閃電的重要工具，因為它們可以揭示風暴內部的狀況。γ射線告訴研究人員電場持續存在多長時間以及強度有多強。“這些真的很難直接測量，” Dwyer說。
此外，輝光經常以閃電終止，最終透過耗散電場拉動加速器上的插頭。如果團隊能夠弄清導致輝光導致閃電的條件，Wada還希望可以使用γ射線訊號來預測罷工發生前的分鐘數，從而挽救生命並保護財產。
史密斯說，瞭解TGFs的常見程度，以及哪種閃電會觸發它們很重要，這是另一個原因，Smith說：在某些情況下，它們可能很危險。輝光太弱而不會引起問題，並且當TGF到達地面時，它們通常是無害的。但是近距離來看，閃爍效果更強。史密斯說，例如，如果有人撞上飛機，“在最壞的情況下，您可能會讓人們從飛機上走出來，身上有明顯的放射病跡象”。他說，令人放心的是從未見過這種情況。對於飛機而言，這可能不是問題，因為它們經常會觸發雷電，這意味著它們可能會在電場變得足夠強而不會產生γ射線閃光之前就這樣做。但是他想知道飛機上的人是否會收到未被發現的較小劑量。“這可能會導致2或3例癌症發病20年，您永遠不會知道。但是知道這一點很重要，”他說。
Enoto的團隊現在正在考慮將CoGaMos放在日本的客機上，以檢視他們是否能夠檢測到這種來自空中的不可見輻射。而且他們有在各個位置使用小型探測器的錯誤：從2022年開始，研究小組計劃將鞋盒大小的類似CoGaMo的探測器安裝在稱為cubesats的小型衛星上。這將使研究來自宇宙源的X射線發射非常明亮，以至於使十億美元的望遠鏡（例如NASA的錢德拉X射線天文臺）飽和。