מדעי האטמוספרה – קרינה קטלנית מן העננים / ג’וזף ר’ דווייר ודייוויד מ’ סמית

סופות רעמים פולטות פרצים עזים של קרני גמא ושל קרני רנטגן ומשגרות אלומות חלקיקים, ואפילו אנטי-חומר, לעבר החלל החיצון. האטמוספרה היא מקום מוזר יותר מכפי ששיערנו 

לאחר שמעבורת החלל “אטלנטיס” שיגרה טלסקופ חלל חדש למסלול ב-1991, הבין ג’רלד פישמן מן המרכז לתעופת חלל על שם מרשל של נאס”א שמשהו מוזר מאוד מתרחש. טלסקטופ קרני הגמא על שם קומפטון (CGRO), שנבנה כדי לזהות קרני גמא המגיעות מעצמים אסטרופיזיקליים מרוחקים כמו למשל כוכבי נויטרונים ושרידי סופרנובות, התחיל לתעד גם פרצים בוהקים של קרני גמא, שנמשכו כמה אלפיות השנייה ושלא הגיעו מן החלל החיצון אלא מכדור הארץ שמתחתיו.

האסטרופיזיקאים כבר ידעו אז שתופעות אקזוטיות, כגון התפרצויות בשמש, חורים שחורים וכוכבים מתפוצצים מאיצות אלקטרונים וחלקיקים אחרים עד לאנרגיות גבוהות במיוחד, ושהחלקיקים הטעונים המהירים האלה יכולים לפלוט קרני גמא: הפוטונים בעלי האנרגיות הגבוהות ביותר בטבע. עם זאת, באירועים אסטרופיזיקליים החלקיקים מאיצים כשהם נעים בתנועה כמעט חופשית במרחב, שלצורך העניין אפשר להחשיבו כרִיק. כיצד אפוא יכולים חלקיקים באטמוספרת כדור הארץ, שבשום אופן אינה מתקרבת אפילו למצב של ריק, לנוע באותו אופן?

בהתחלה, הנתונים הראשוניים הובילו אותנו, וגם מומחים נוספים מלבדנו, לסברה שאותם “הבזקי קרני גמא ארציים” מגיעים מרום של 65 קילומטר מעל העננים, אבל כעת אנחנו יכולים לקבוע שהם נוצרים בגובה קטן הרבה יותר על ידי פריקות חשמליות בתוך ענני סערה שגרתיים. בינתיים, תיאוריות מתוחכמות יותר ויותר, שגובשו כדי להסביר את קרני הגמא החריגים האלה, נאבקו לעמוד בקצב של התצפיות: שוב ושוב, התגלו בניסויים אנרגיות שנוכחותן באטמוספרה נחשבה בלתי אפשרית עד אז. אפילו אנטי-חומר הגיח לביקור פתע.
עשרים ואחת שנים לאחר מכן, יש לחוקרים מושג די טוב בנוגע לשאלה מה עשוי ליצור את הבזקי קרני הגמא הארציים האלה, אף שעדיין נותרו אי-ודאויות. הדחיפוּת לפתור את החידה המרתקת הזאת גדלה, לנוכח ההשלכות האפשריות שלה על בריאות הציבור: אם יעבור מטוס קרוב מדי למקורות ההבזקים, קרינת הגמא הנפלטת עלולה לסכן את הנוסעים שבתוכו.

שתי ציפורים באבן אחת?

בתחילה, התלבטו המדענים אם ייתכן שקרני הגמא קשורות לפלא אטמוספרי מסוג אחר שהתגלה רק שנים ספורות לפני כן. מצלמות שעדשותיהן כוונו לאזורים שמעל ענני סערה צילמו הבזקים קצרים ובוהקים של אור אדום, ברום של 80 קילומטר מעל הקרקע וברוחב של כמה קילומטרים, הבזקים שנראו כמו מדוזות ענק. לפריקות החשמליות המרשימות האלה ניתן השם רווי הדמיון “שדונים” (sprites). השדונים מופיעים כמעט על ספו של החלל, ולכן נראה מתקבל על הדעת שהם עשויים לירות קרני גמא שיוכלו להיקלט על ידי חללית הנעה במסלול סביב כדור הארץ.

עד מהרה הגיעו הניסיונות הראשונים של פיזיקאים עיוניים להסביר כיצד שדונים יכולים ליצור קרני גמא על גבולות החלל. על פי הסברה המקובלת, שדונים הם תופעות לוואי של ברקים רגילים המתחוללים בעננים אי שם מתחת. ברק הוא ערוץ מוליך חשמל שנפתח לפרק זמן קצר באוויר, שבמצב רגיל נחשב מבודד מבחינה חשמלית. מכת הברק מעבירה אלקטרונים מאזור אחד באטמוספרה לאזור אחר, או מן האטמוספרה אל הקרקע. ברק נוצר בשל אי-איזון של מטען אלקטרוסטטי ומופעל על ידי השדות החשמליים שנוצרים בעקבות זאת. הפרש הפוטנציאלים בין השדות עשוי לעלות על 100 מיליון וולט.

שטף האלקטרונים הגועש משיב על כנו באופן חלקי את שיווי המשקל האלקטרוסטטי. ועם זאת, ממש כשם שטפיחה על גבשושית בשטיח כדי ליישרו גורמת לעתים קרובות לגבשושית אחרת לצוץ במקום אחר, כך פריקה חשמלית בענן גורמת לעתים קרובות לשדה לצוץ במקום אחר, ובכלל זה על הקרקע, שם הוא עשוי להוביל מאוחר יותר לברק כלפי מעלה, או סמוך לתחתית היונוספרה ושם עשוי להיווצר שדון.

ב-1992, חישבו אלכסנדר ו’ גורביץ’ מן המכון לפיזיקה על שם לבדב שבמוסקבה ועמיתיו, ששדות חשמליים משניים כאלה בקרבת היונוספרה עשויים לחולל מפולות של אלקטרונים אנרגטיים, שבעקבות התנגשויות עם אטומים ישחררו פוטונים באנרגיה גבוהה: קרני רנטגן ואפילו קרניים אנרגטיות יותר, קרני גמא, בנוסף לזוהר האדום האופייני לשדונים. המנגנון שהציעו נגזר מהצעה שהעלה חתן פרס נובל, המדען הסקוטי צ’ ת’ ר’ וילסון, בשנות ה-20. באנרגיות נמוכות, אלקטרונים שנהדפים על ידי שדה חשמלי מתנהגים כמו מַלָּחים שיכורים, מנתרים ממולקולה למולקולה ומאבדים מן האנרגיה שלהם עם כל התנגשות והתנגשות. ואולם, באנרגיות גבוהות האלקטרונים נעים בקו ישר, וסופחים אגב כך עוד ועוד אנרגיה מן השדה החשמלי, כך שכל התנגשות שתארע תשפיע אפילו פחות על שיבוש המסלול שלהם, וכן הלאה בתהליך שמעצים את עצמו. התהליך ההדרגתי הזה שונה מן התהליך המוכר לנו מן ההתנסות היום-יומית שלנו, שבה ככל שאנו נעים מהר יותר כן אנו חשים כוח גרר חזק יותר, כפי שיכול להעיד כל רוכב אופניים.

בהחלט ייתכן שהאלקטרונים ה”דוהרים” האלה יוכלו להאיץ כמעט עד למהירות האור ולנוע לאורך קילומטרים עד שיעצרו, במקום המטרים הספורים שאלקטרון עשוי לעבור בדרך כלל כשהוא נע באוויר. הצוות של גורביץ’ הסיק שכשאלקטרון דוהר אכן מתנגש לבסוף במולקולת גז באוויר, הוא יוכל לשחרר משם אלקטרון אחר, והאלקטרון החדש הזה יוכל בעצמו להתחיל לדהור. התוצאה תהיה דומה לתגובת שרשרת: מפולת של אלקטרונים באנרגיה גבוהה, שגדלה באופן מעריכי עם המרחק ושתוכל להשתרע על פני כל אורכו של השדה החשמלי. אפקט המפולת, חישבו גורביץ’ ועמיתיו, יוכל להגדיל את ייצור קרני הרנטגן וקרני הגמא בסדרי גודל רבים. לפרק זמן כלשהו התמונה הזאת נראתה מושכת מאוד, מכיוון שהיא איחדה שתי תופעות אטמוספריות: הבזקי קרני גמא ושדונים. כפי שנראה בהמשך, התברר שהמציאות מורכבת הרבה יותר.

תמימותם של שדונים

במשך כמה שנים, מ-1996 ואילך, פותחו גרסאות יותר ויותר מלוטשות של התיאוריה, וכולן בנו מודלים של שדונים כביטוי של מפולות אלקטרונים דוהרים שמפיקים קרני גמא. אחת מן הראיות שתמכו במודל השדונים היה ספקטרום האנרגיה של קרני הגמא. קרני גמא באנרגיות גבוהות יותר עוברות באוויר מרחק גדול יותר משעוברות קרניים באנרגיות נמוכות, ולכן יותר סביר שיצליחו להגיע לחלל. באמצעות מניית מספר הפוטונים של קרינת הגמא שהגיעו לחללית בכל אחת מרמות האנרגיה, המדענים יכולים להסיק באיזה רום היה המקור שהפיק אותם. הבדיקות הראשונות של אנרגיות קרני הגמא שנצפו על ידי CGRO הראו על רום מקור גבוה מאוד, שעלה בקנה אחד עם רום השדונים.

ואז, ב-2003, התחוללה תפנית בלתי צפויה. במהלך עבודה במתקן למחקר ברקים בפלורידה ומדידה של פליטות קרני הרנטגן שהגיעו לקרקע מברק שנוצר בעקבות יריית טיל, זיהה אחד מאתנו (דווייר) יחד עם עמיתיו פרץ בוהק מאוד של קרני גמא שנפלט מענן הסערה שמעליהם ושטף את פני הקרקע שסביבנו [ראו: “מכת ברק” מאת ג’וזף דווייר, סיינטיפיק אמריקן ישראל, אוגוסט-ספטמבר 2005]. הפרץ הזה נראה במכשירים שלנו בדיוק כמו אחד מהבזקי קרני הגמא הארציים שכולם חשבו שמקורם הרבה יותר גבוה: היו לקרניים אותן אנרגיות והן נמשכו אותו פרק זמן, כ-0.3 מילי-שניות. בזמנו, כולם הניחו שההבזקים מגיעים ממקום גבוה מכדי שיהיה אפשר לראותם על הקרקע. הדמיון בין ההבזקים רמז שייתכן שמכות ברק בתוך ענני סערה עשויות להיות המקור הישיר לקרני הגמא שהגיעו ל-CGRO, אבל בו בזמן הרעיון נראה קצת מטורף: ההבזק יהיה חייב להיות בוהק להדהים כדי שיוכל להעביר לחלל די קרני גמא דרך כל האטמוספרה.

אבל עד מהרה הגיעו התפתחויות אחרות שפרמו את הקשר לכאורה שבין שדונים ובין קרני גמא. ב-2002 שיגרה נאס”א את מתקן הדימות הספקטרוסקופי הסולרי באנרגיות גבוהות על שם ראובן רמתי, או בקיצור RHESSI, כדי לחקור קרני רנטגן וקרני גמא המגיעות מן השמש. אבל גלאי הגרמניום הגדולים של RHESSI התאימו להפליא גם למדידת קרני גמא המגיעות מן האטמוספרה, אף על פי שהן היו צריכות לעבור גם דרך אחורי החללית כשהמצפה עצמו הופנה לכיוון השמש. אחד מאתנו (סמית), אסטרופיזיקאי וחוקר פיזיקה סולרית, היה חבר בצוות המכשור של RHESSI וגייס לשורותיו את ליליאנה לופז, שהייתה אז תלמידת מחקר באוניברסיטת קליפורניה שבברקלי, לסרוק את זרם הנתונים הרציף של RHESSI, שהשתרע על פני כמה שנים, כדי לחפש אחר ראיות לקרני גמא מלמטה. בזמנו, הבזקי קרני גמא ארציים נחשבו נדירים מאוד. במקום זאת, לופז מצאה מטמון: RHESSI זיהה הבזק כל כמה ימים, קצב גבוה בערך פי 10 מקצב הזיהוי של CGRO.

מדידות האנרגיות של פוטוני קרני הגמא בכל הבזק שערך RHESSI היו טובות לאין ערוך מכל מדידה שערך CGRO מעולם. הספקטרום שלהם נראה ממש כמו מה שהיה אפשר לצפות מספקטרום שיוצרים אלקטרונים דוהרים. אבל כשהשווינו בין התוצאות להדמיות שערכנו, הסקנו שקרני הגמא חלפו דרך הרבה מאוד אוויר, ולכן מקורן היה צריך להיות ברום שנע בערך בין 15 ל-20 קילומטר: רום אופייני לפסגותיהן של סופות רעמים, אך נמוך בהרבה מ-80 הקילומטר שבהם מתגוררים השדונים.

ראיות בלתי תלויות נוספות הצטברו במהירות לטובת מקור נמוך-רום של קרני גמא, ולרעת הקשר עם השדונים. סטיבן קאמר מאוניברסיטת דיוק ערך מדידות רדיו על כמה מן הברקים שקושרו לאירועים של RHESSI, והן הראו שהבזקי הברקים האלה היו חלשים בהרבה מן הדרוש ליצירת שדונים. יותר מזה, מפת הבזקי קרני הגמא ברחבי העולם של RHESSI נראתה דומה מאוד למפה של ברקים רגילים, המתרכזים באזורים הטרופיים, ושונה מאוד ממפת השדונים שלפעמים מצטברים בקווי רוחב גבוהים יותר, כמו למשל המישורים הגדולים בארה”ב.

עם זאת, נותר טיעון אחד לטובת השדונים כמקור: ספקטרום האנרגיה מאירועי CGRO נראה כמורה על מקורות ברום גבוה, שמתאים לשדונים יותר מאשר לסופות רעמים. רבים מאתנו החלו לחשוב שייתכן שיש שני סוגים של הבזקי קרני גמא: נמוכי רום וגבוהי רום. אבל המהלומה הסופית על רעיון השדונים הגיעה כשהבנו שהבזקי קרני גמא ארציים הם הרבה יותר בוהקים ממה שסברנו לפני כן. למעשה, כשעבדנו ב-2008 עם תלמיד המחקר אז, בריאן גריפנשטט, קבענו שהם היו בוהקים כל כך עד ש-CGRO סונוור באופן חלקי בגללם ולא היה יכול למדוד את מלוא עוצמתם. (רוויה שהשפיעה גם על RHESSI, בשיעור נמוך יותר.) כשחוקרים באוניברסיטת ברגן שבנורבגיה ניתחו ב-2010 את הנתונים, הם גילו שאם נביא בחשבון את הגעת המכשירים לרוויה, התוצאות יעלו בקנה אחד עם מקורות מרום נמוך יותר.
בתוך פחות משנתיים אפוא, הרום המשוער של מקום היווצרותם של הבזקי קרני גמא צנח בשיעור של יותר מ-50 קילומטר. נדיר לראות במדע שינוי פרדיגמה שמתרחש מהר כל כך. השינוי הזה אירוני, מכיוון שכשהתחלנו לעסוק בתחום המחקר הזה לפני עשר שנים, שדונים היו הדוגמה הזוהרת היחידה לאופן שבו קרינה אנרגטית יכולה להיווצר באטמוספרה שלנו. כעת, 10 שנים לאחר מכן, נראה שפחות או יותר כל דבר – סופות רעמים, סוגים שונים של ברקים, ניצוצות שנוצרים במעבדה – יכול ליצור קרינה באנרגיה גבוהה שאפשר לזהות, אבל ככל הנראה דווקא שדונים אינם יכולים לעשות זאת. כיום מקובל על הכול שהאנרגיה הנמוכה של קרינת השדונים מורה על כך שככלות הכול אין הם אחראים על הבזקי קרני גמא.

הבו לנו אנטי-חומר
טוב, אז אם שדונים אינם יוצרים הבזקי קרני גמא, מה כן יוצר אותם? והאם התהליך עדיין כרוך במפולות של אלקטרונים דוהרים? מתברר כי מנגנון המפולת על פי המודל של גורביץ’ ועמיתיו, אף על פי שהוא אנרגטי מכדי שיוכל להיות קשור לשדונים, איננו חזק דיו כדי ליצור את הבהירות העצומה שנצפתה על ידי RHESSI ונבעה מן הניתוח המחודש של נתוני CGRO. ואולם, חישובים שערך דווייר הראו שגרסה מועצמת של מנגנון מפולת האלקטרונים תוכל לשחרר אנרגיה בשיעור גדול פי כמה אלפי מיליארדים מן התחזיות שנערכו בעבר, ושהיא תוכל להתרחש בתוך ענן סערה. למרבה הפליאה, מנגנון כזה יהיה גם כרוך בייצור של שפע אנטי-חומר.

אם יהיה השדה החשמלי שבתוך ענן סערה חזק דיו, אלקטרונים דוהרים, בהנחה שהם נוצרים בדרך כלשהי, יאיצו כמעט עד מהירות האור, וכשהם יתנגשו בגרעיני אטומים שבמולקולות האוויר, הם יוכלו לפלוט קרני גמא. הפוטונים של קרני הגמא, בתורם, יוכלו להגיב עם גרעיני אטומים וליצור זוגות חלקיקים: אלקטרונים ותאומי האנטי-חומר שלהם, פוזיטרונים. גם הפוזיטרונים יתחילו לדהור ולצבור אנרגיה מן השדה החשמלי. אבל בעוד האלקטרונים ינועו כלפי מעלה בשדה, הפוזיטרונים, שמטענם החשמלי הפוך, ינועו כלפי מטה. כשיגיעו הפוזיטרונים לתחתית תחום השדה החשמלי, הם יתנגשו באטומי אוויר ויבעטו החוצה אלקטרונים חדשים ששוב יתחילו לדהור כלפי מעלה לעבר הפסגה.

כך, אלקטרונים הנעים מעלה ייצרו פוזיטרונים הנעים מטה, שבתורם ייצרו עוד אלקטרונים הנעים מעלה וכן הלאה. כשמפולת אחת יוצרת מפולות חדשות, הפריקות מתפשטות במהירות על פני שטח נרחב של ענן הסערה, עד לרוחב של כמה קילומטרים. המספרים שחוזה המודל הזה, המכונה המודל היחסותי לפריקה בהיזון חוזר, התאים במדויק לעוצמת קרני הגמא, למשך הזמן ולספקטרום האנרגיה שלהם כפי שנצפו על ידי CGRO ו-RHESSI.

ההיזון החוזר שיוצרים הפוזיטרונים מקביל לצווחה המעצבנת שנשמעת כשמחזיקים מיקרופון על יד רמקול. מובן שאם נרצה ליצור רעש חזק, נוכל באותה מידה פשוט לצעוק לתוך המיקרופון. זה ההיגיון שעומד מאחורי הסבר אפשרי נוסף, אם כי הוא עדיין לא עובד במלואו מבחינה מתמטית: הבזקי קרני הגמא הם גרסאות אנרגטיות יותר של פרצי קרני הרנטגן שנפלטים על ידי ברק כשהוא מתקרב לקרקע. במשך כמה שנים מדדו חוקרים במכון הטכנולוגי של פלורידה, באוניברסיטת פלורידה ובמכון לכרייה ולטכנולוגיה של ניו מקסיקו את קרני הרנטגן האלה, שנפלטו הן מברקים שנוצרו באופן מלאכותי על ידי טילים והן מברקים טבעיים שפגעו בקרקע. “סרטוני” קרני רנטגן שצולמו במצלמת קרני רנטגן מהירה בפלורידה מראים שהפרצים נובעים מקצהו של ערוץ הברק, כשהוא נע מן הענן אל עבר הקרקע. מרבית המדענים סבורים שקרני הרנטגן נוצרים על ידי אלקטרונים דוהרים שהואצו על ידי שדות חשמליים חזקים שמול הברק. ייתכן שמסיבות שטרם פוענחו, ברק שנע דרך השדה החשמלי שבתוך ענן סערה מסוגל ליצור בהצלחה רבה יותר את אותם אלקטרונים דוהרים. אם הרעיון הזה אכן נכון, ייתכן שההבזקים שנצפים על ידי חלליות ממרחק של מאות קילומטרים אינם אלא גרסה של קרני הרנטגן, שהוגברה על ידי מנגנון שעדיין אינו ידוע, שנוצרו על ידי ברקים ושנצפו בגלאים המוצבים על פני הקרקע במרחק של כמה מאות מטרים בלבד מן הברק.

כרעם ביום בהיר
בסוף 2005 כבר היינו משוכנעים שמרבית הבזקי קרני הגמא הארציים נבעו מתוך ענני סערה או סמוך לפסגתם, בלי קשר לשאלה אם היו מעורבים בסיפור גם אנטי-חומר או ברקים מתוגברים. אך לפני שהספקנו להרגיש יותר מדי נינוחים עם הפרדיגמה החדשה הזאת, שוב נראה שההבנה שלנו מתערערת: אחד האירועים שנקלט על ידי RHESSI התרחש ממש במרכז מדבר סהרה, ביום שטוף שמש ללא שום ענני סערה באופק.

יחד עם תלמידי המחקר שלנו, בילינו חודשים במאבק על פיצוח האגוז הזה. התברר שענני סערה אכן נוצרו באותו יום, אבל לא במקום שבו חיפשה החללית. הסערות התחוללו במרחק של כמה אלפי קילומטרים דרומה, מעבר לאופק מבחינת RHESSI. קרני הגמא שלהן, שכמו כל צורות האור נעות בקו ישר, לא היו יכולות להגיע אל החללית.

אבל, חלקיקים טעונים כמו אלקטרונים לדוגמה, נעים באופן טבעי במסלולים ספירליים צפופים סביב הקווים המעוקמים של השדה המגנטי של כדור הארץ. הסופות התחוללו בדיוק בקצה השני של קו השדה המגנטי שחלף דרך החללית. אלקטרונים שהגיעו לרום גבוה מאוד הקיפו את כוכב הלכת והוטחו בגלאים של RHESSI, כשתוך כדי כך הם יוצרים קרני גמא. עם זאת, לא נראה אפשרי שאלקטרונים ששוחררו בתוך ענן סערה יוכלו לצלוח קילומטרים על קילומטרים של אטמוספרה ולהגיע לרום בחלל שבו יוכלו לתפוס טרמפ מסביב לקווי השדה. שוב נראה שהתצפית החדשה דורשת מקור ברום גבוה.

יותר מזה, ב-2011 צפה טלסקופ החלל לקרני גמא על שם פרמי בעוד כמה מן הקרניים המקיפות האלה וגילה תגלית מרעישה: שיעור ניכר מן הקרניים מורכב מפוזיטרונים. נראה אפוא שתופעות אטמוספריות יכולות להעיף לחלל גם חלקיקי אנטי-חומר, ולא רק אלקטרונים וקרני גמא. במבט לאחור אנו יכולים לומר שהופעתם של הפוזיטרונים האלו הייתה אמורה להיות צפויה, לנוכח האנרגיה הרבה של קרני הגמא. ועם זאת, בהתחשב בכך שאנטי-חומר בטבע הוא תופעה כה בלתי רגילה, הממצא של טלסקופ פרמי היה מדהים.

עד מהרה הבין הצוות שלנו שכדי להסביר את ממצא סהרה אין צורך להניח שקרני הגמא מגיעות מרום גבוה, אלא שהן נוצרו בתוך ענני סערה בכמויות שופעות יותר ממה שחשבנו שייתכן בכלל. כמה מהן פנו לחלל, התנגשו במולקולת אוויר תועה ברום גבוה יותר מכ-40 קילומטר ויצרו זוגות משניים של אלקטרון-פוזיטרון שתפסו טרמפ על קווי השדה המגנטי הסובבים את כדור הארץ. בפעם הבאה כשתראו ענן סערה מתנשא בשמים, עצרו רגע וחִשבו על כך שהוא מסוגל לירות חלקיקים באנרגיה גבוהה לחלל, ושאלו עשויים להתגלות בצִדו האחר של כדור הארץ.

חריגים חדשים
הופעת הפוזיטרונים לא הייתה עתידה להיות התדהמה האחרונה שלנו. מאוחר יותר ב-2011, גילה מצפה AGILE של סוכנות החלל האיטלקית, שספקטרום האנרגיה של הבזקי קרני גמא ארציים מגיע עד 100 מגה-אלקטרון-וולט, ערך שהיה מדהים אפילו אם היה מגיע מהתפרצות בשמש. אם התצפיות האלה נכונות, הן מטילות צל של ספק על המודלים שלנו, מכיוון שנראה בלתי סביר שמנגנון הדהירה יוכל לייצר אנרגיות כאלה בכוחות עצמו. למעשה, בעצם לא ברור בכלל מה יוכל להאיץ אלקטרונים לאנרגיות כאלה בתוך ענני סערה. בשלב הזה אנו זקוקים לעוד תצפיות שיעזרו להתוות את התיאוריה. למרבה השמחה, צוותים מארה”ב, מן האיחוד האירופי ומרוסיה מתחילים עכשיו לשגר את משימות החלל הראשונות המיועדות לזיהוי קרני גמא ארציות.

ובינתיים, כדי להתקרב למוקד העניינים, בנינו יחד עם עמיתינו מכשיר שיינשא על גבי מטוס ושתוכנן למדוד קרני גמא מענני סערה. החשש מן הסכנות הכרוכות בחשיפה לקרני גמא מונע מאתנו לטוס היישר לתוך סערה. אבל בטיסת מבחן מוקדמת שדווייר נטל בה חלק, פנה המטוס בטעות פנייה לא נכונה. תחושת האימה התחלפה עד מהרה בהתרוממות רוח כשפתאום נדלקו הגלאים שלנו. ניתוח שנערך לאחר מכן הראה שהאזור שבו טס המטוס האיץ אלקטרונים דוהרים מן הסוג שעל פי הציפיות שלנו ייצור הבזקי קרני גמא. למרבה המזל, הפליטה נשארה ברמה נמוכה ולא התפתח אירוע נפיץ שאפשר לראות מן החלל. בעזרת הטיסות האלה גילינו שסופות רעמים רגילות פולטות רוב הזמן זוהר רציף ובלתי מזיק יחסית של קרני גמא.

ואולם, חישובים ראשוניים הראו שאם מטוס נוסעים ייפגע במקרה באופן ישיר מקרני הגמא ומן האלקטרונים האנרגטיים שבתוך סערה, יוכלו הנוסעים ואנשי הצוות, בלי שיחושו בדבר, לספוג בתוך שבריר שנייה מנת קרינה שעשויה להגיע לכמות שנספגת בדרך כלל בתקופת חיים שלמה. נקודת האור היא שאיננו צריכים להזהיר טייסים להתרחק מסופות רעמים, מכיוון שהם עושים זאת ממילא; סופות רעמים הן מקום מסוכן מאוד לשהות בו, עם קרני גמא או בלעדיהן.
במובן מסוים, חקר הבזקי קרני גמא ארציים משלים את עבודתו של בנג’מין פרנקלין, ששלח בכוונה עפיפון לתוך סופת רעמים לראות אם הוא יוליך חשמל וכך הראה שהברק הוא פריקה חשמלית. למרבה הפלא, 250 שנה לאחר ניסוי העפיפון שלו, מדענים עדיין אינם מבינים הבנה מלאה, לא רק כיצד סופות רעמים יוצרים הבזקי קרני גמא, אלא אפילו כיצד הם יוצרים ברקים פשוטים. שנינו בילינו חלק גדול מן הקריירה שלנו במחקר של עצמים אקזוטיים הרחק ממערכת השמש, אבל הפיתוי שעורר המחקר הזה משך אותנו בחזרה לכדור הארץ. אולי אפילו פרנקלין עצמו לא העלה בדעתו שסופות רעמים עשויות להיות מעניינות כל כך.

על המחברים
ג’וזף ר’ דווייר (Dwyer) הוא אסטרופיזיקאי שהתחיל להתעניין בברקים אחרי שעבר למרכז פלורידה, בירת הברקים של ארה”ב. הוא מכהן כפרופסור במכון הטכנולוגי של פלורידה.
דייוויד מ’ סמית (Smith) הוא פרופסור חבר לפיזיקה באוניברסיטת קליפורניה שבסנטה קרוז. הוא חוקר ברקים, את חגורות הקרינה של כדור הארץ והתפרצויות סולריות. כמו כן הוא עורך תצפיות מחקריות על קרני רנטגן וקרני גמא הנפלטות מחורים שחורים.
בקיצור
ענני סערה פולטים קרני גמא בפרצים רבי עוצמה שנמשכים מילי-שניות ספורות, המכונים הבזקי קרני גמא ארציים, ושנתגלו לראשונה על ידי מצפים מן החלל.
ההבזקים האלה יכולים גם ליצור אלומות אלקטרונים ואפילו אלומות של אנטי-חומר שמסוגלות לנוע לאורך מחצית מהיקפו של כדור הארץ.
כל ההסברים שהוצעו לתופעה כוללים שדות חשמליים חזקים שמשחררים מפולות של אלקטרונים בתוך עננים, אבל אף אחד מהם אינו מספק הסבר מלא לאנרגיות העצומות של קרני הגמא.
משימות חלל ייעודיות חדשות ומטוס מחקר חדש עשויים לפתור את התעלומה, וגם לגלות אם ההבזקים עלולים להעמיד נוסעים במטוסים בסכנת חשיפה לקרינה.
פריקות: מבט משווה
קרני גמא מול שדונים
כשהחלו מצפי החלל לקלוט פרצים של קרני גמא המגיעים מן האטמוספרה בשנות ה-90, שיערו החוקרים שמקורם בפריקות גבוהות-רום המכונות שדונים. אבל התברר שהבזקי קרני הגמא הארציים האלה צצים מתוך ענני סערה ברום הרבה יותר נמוך. הם גם מפיקים אלומות משניות של חלקיקים, ובכללם אנטי-חומר, שיכולות להימלט לחלל ולטוס מסביב לכדור הארץ בעקבות השדה המגנטי שלו.
ועוד בנושא
Discovery of Intense Gamma Ray Flashes of Atmospheric Origin. G. J. Fishman et al. in Science, Vol. 264, pages 1313-1316; May 27, 1994.
Runaway Breakdown and the Mysteries of Lightning. Alexander V. Gurevich and Kirill P. Zybin in Physics Today, Vol. 58, No. 5, pages 37-43; May 2005.
Source Mechanisms of Terrestrial Gamma-Ray Flashes. J. R. Dwyer in Journal of Geophysical Research, Vol. 113, No. D10103; May 20, 2008.
Electron-Positron Beams from Terrestrial Lightning Observed with Fermi GBM. Michael S. Briggs et al. in Geophysical Research Letters, Vol. 38, No. L02808; January 20, 2011.
צפו בסרטון המראה כיצד סופות רעמים יוצרות פרצי קרני גמא, באתר www.sciam.co.il