27 декабря 2004 года ученые зафиксировали крупнейший из когда-либо зарегистрированных гамма-всплесков. Оно исходило от магнетара - нейтронной звезды с огромным магнитным полем - находящейся на расстоянии 50 000 световых лет. Его мощные лучи проникли глубоко в ионосферу, в электропроводящий слой, окружающий Землю. 19 февраля в Сент-Луисе на ежегодном собрании Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS) профессор электротехники из Стэнфорда Умран Инан расскажет, что ученые узнали из этого редкого и резкого атмосферного возмущения.
"Огромные гамма-вспышки, такие как эта гигантская вспышка от магнитара SGR 1806-20, настолько сильно влияют на нашу нижнюю ионосферу, что, просто наблюдая и измеряя ее реакцию на вспышку и восстановление после нее, мы обязательно узнаем больше о динамике этих верхних слоев атмосферы, которые в конечном счете так важны для нашего количественного понимания космической погоды, а также для систем связи и навигации», - сказал Инан в недавнем интервью. Имея более 250 технических публикаций, он является пионером в открытии атмосферных электрических явлений, известных как «эльфы» (горизонтально расширяющиеся разряды на больших высотах), «красные спрайты» (рассеянные капли, которые начинаются у основания ионосферы) и « голубые струи" (ветви, взлетающие из вершин облаков).
Его выступление является частью симпозиума «Гигантская вспышка от магнитара: облет Земли через всю галактику», в котором участвуют астрофизики Кевин Херли из Калифорнийского университета в Беркли и Дэвид Палмер из Лос-Аламосской национальной лаборатории., Брайан Генслер из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и Линн Комински из Университета штата Сонома.
Для астрофизиков колоссальная вспышка - это окно в работу нейтронной звезды. Они наблюдали вспышку гамма-излучения с помощью двух орбитальных космических аппаратов и будут использовать новые знания об этом событии, чтобы отточить свои теории об этих далеких объектах.
Инан, напротив, использует наземное оборудование для измерения очень низкочастотных (ОНЧ) радиоволн, которые дистанционно обнаруживают ионосферные эффекты, вызванные грозовыми разрядами, включая высыпание высокоэнергетических электронов из поясов Ван Аллена, и светящиеся высотные разряды, такие как эльфы, спрайты или джеты. Он и его исследовательская группа СНЧ в Стэнфордской лаборатории космонавтики, телекоммуникаций и радионауки (также известная как STAR Lab) постоянно наблюдают за ионосферой на предмет локализованных эффектов. Они не ожидали увидеть огромный эффект, который вспышка оказала на ионосферу, освещая всю половину глобальной ионосферы, но их бдительность, тем не менее, позволила им зафиксировать это. «В ходе наших исследований ионосферных эффектов, производимых молниями такого типа - спрайты, эльфы и электронные осадки - этот эффект в основном лег на наши плечи», - сказал Инан.
Исследование «игнор-о-сферы»
Солнечный ветер - важная составляющая космической погоды. Когда Солнце действует через вспышки и корональные выбросы массы, оно передает потоки энергичных частиц к магнитосфере Земли, значительно увеличивая потоки энергичных электронов, захваченных радиационными поясами Ван Аллена, а также вызывая большие изменения в ионосфере Земли. Ионосфера - самая высокая область верхних слоев атмосферы, которая поддерживается за счет ионизации нейтрального воздуха солнечными фотонами и космическими лучами. Когда космические лучи попадают на два атома азота, связанные вместе в молекулу газообразного азота, молекулярные компоненты разделяются на положительно заряженные атомы азота и отрицательно заряженные электроны.
«На больших высотах воздуха недостаточно для того, чтобы ионизированные молекулы объединились и снова стали нейтральными, поэтому регион остается ионизированным», - сказал Инан. «Вот что такое ионосфера».
Это высота от 60 до 90 километров, где атмосферное сопротивление слишком велико для запуска спутников на орбиту. В то же время воздух слишком разрежен для самолетов или исследовательских аэростатов. Ионизация слишком слаба, чтобы обеспечить обнаруживаемые эхосигналы даже для самых больших радаров.
«Эта область была названа «сферой игнорирования», потому что ее нелегко измерить», - сказал Инан. «Техника VLF, которую мы разработали, особенно подходит для наблюдения за этим диапазоном высот, который не поддается измерению другими способами».
Пояса Ван Аллена состоят из энергичных электронов, захваченных магнитным полем Земли, которое распространяется в космос и защищает Землю от космического излучения.
«Одна из функций молнии - удаление электронов из радиационных поясов», - объяснил Инан. По его словам, без удаления электронов пояса будут становиться все более и более интенсивными.
Когда молния вспыхивает на поверхности Земли, она выпускает электромагнитные волны вплоть до радиационных поясов Ван Аллена. По пути электромагнитные волны взаимодействуют с энергичными электронами, захваченными вдоль силовых линий магнитного поля Земли в поясах Ван Аллена, и рассеивают эти электроны в ионосфере. Взаимодействия между электромагнитными волнами изменяют энергию и направление импульса электронов, заставляя их высыпаться из поясов в результате подвода энергии грозовыми разрядами. Высыпающиеся электроны, в свою очередь, создают в ионосфере пятна усиленного электричества.
Ученые обнаруживают эти локальные возмущения с помощью радиоволн ОНЧ, распространяющихся вдоль поверхности Земли. Ионосфера, как и металл, является хорошим проводником электричества. Он действует как проводник для радиоволн. Вот почему кривизна Земли не является препятствием, поскольку радиоволны ОНЧ отражаются от ионосферы и могут распространяться на большие расстояния вокруг земного шара в так называемом волноводе Земля-ионосфера..
«[Гульельмо] Маркони открыл глобальную связь из-за отражений от ионосферы», - объяснил Инан. «Еще на рубеже веков он посылал сигналы из Англии в США, отражая их от ионосферы».
Инан и его коллеги записывают радиоволны ОНЧ, которые распространяются от одного или нескольких передатчиков на поверхности Земли к 25 приемникам, расположенным в Японии, Франции, Израиле, Греции, Турции, Гавайях, островах Мидуэй и Кваджалейн, континентальной части Соединенных Штатов. Штаты, Аляска и Антарктида. Передатчики запускают волны, которые распространяются в волноводе, образованном между поверхностью Земли и ионосферой.
Когда бьет молния, она запускает электромагнитный сигнал, который распространяется через ионосферу к поясам Ван Аллена и может распространяться из одного полушария в другое вдоль силовых линий магнитного поля Земли. При воспроизведении через громкоговоритель эти сигналы имеют отчетливое звучание и называются свистками.
Ночью молния оказывает заметное влияние, вызывая ионизацию на высотах от 60 до 90 километров в результате осаждения энергичных электронов свистовыми волнами. Однако в течение дня солнечная ионизация заглушает эффекты высыпаний электронов, вызванных молнией, и делает их незначительными.
В 2007 году, «Международном гелиосферном году», Организация Объединенных Наций выступила с инициативой, направленной на развертывание недорогих приемников Inan в каждой стране-члене, чтобы даже ученые и студенты в развивающихся странах могли размещать приемники, публиковать данные и получать доступ к этому богатый набор данных. В настоящее время предпринимаются усилия по сбору средств от частных фондов для содействия этой глобальной образовательной и информационно-просветительской деятельности.
Вспышки поразили Землю в 1998 и 2004 годах
В выпуске журнала Geophysical Review Letters за 1999 год Инан и его коллеги из STAR Lab сообщили об ионосферных эффектах гигантской гамма-вспышки от другой звезды. Это произошло 27 августа 1998 г., посреди ночи (как было зарегистрировано в Стэнфорде в зоне тихоокеанского летнего времени), но оно привело к ионизации атмосферы до уровней, обычно наблюдаемых только в дневное время.
Как маяк, вращающийся луч которого через равные промежутки времени попадает в определенную точку на берегу, эта нейтронная звезда имела периодичность. Он извергал гамма-лучи каждые 5,16 секунды. «Мы наблюдали реакцию ионосферы на это», - сказал Инан. «Ночью ионосфера действительно пульсировала».
Звезда, ответственная за вспышку 2004 года, находилась примерно на том же расстоянии, что и звезда, ответственная за вспышку 1998 года, но находилась в пределах 5 градусов от Солнца, если смотреть с Земли. Поэтому его гамма-лучи попали на дневную сторону нашей планеты. По словам Инана, гамма-лучи ни одной из звезд не достигли поверхности Земли. По его словам, ни одна из вспышек не представляла опасности для людей.
«Удивительная часть нового [дневного] события заключается в том, что даже в дневное время, даже в этой освещенной солнцем ионосфере эффект вспышки был огромным», - сказал Инан. «Это было намного, намного интенсивнее, чем солнце с точки зрения производства ионизации».
Ученые не наблюдали пульсации ионосферы во время вспышки 2004 года, хотя они видели, что гамма-лучи поступали импульсами. «Поскольку гамма-лучи находились на солнечной, дневной стороне ионосферы, мы не заметили периодичности», - сказал Инан.«Мы видели массивный эффект, создавший новую ионизацию». По его словам, пульсация была на более низком уровне, чем первоначальный пик, и была заглушена солнечной ионизацией.
Более мощная и яркая, чем ночная вспышка, дневная вспышка выбрасывала в атмосферу в 1000 раз больше энергии, сказал Инан. «Нет ничего подобного этому [магнетару, доставившему вспышки в 2004 году], как я понял от моих коллег-астрофизиков, в нашей части леса - другими словами, вблизи нашей галактики», - сказал Инан. Если бы это было так, говорит он, мы были бы затоплены гамма-лучами, представляющими собой высокоэнергетические рентгеновские лучи, от которых атмосфера защищает нас, создавая ионизацию. «Если бы вспышка была достаточно интенсивной, то она проникла бы внутрь - атмосфера не выдержала бы».
Вспышка 2004 г. была ярче и мощнее Солнца, но длилась недолго. Он ионизировал атмосферу до высоты 20 километров (около 50 000 футов), как раз над местом, где летают самолеты.(Солнечная фотоионизация неэффективна на таких малых высотах, потому что атмосфера слишком плотная, сказал Инан.) Наиболее интенсивное воздействие на ионизацию атмосферы (называемое «пиком») длилось несколько секунд. Второй по интенсивности эффект («колеблющийся хвост») длился пять минут. А наименее интенсивные эффекты («послесвечение») длились час.
Вспышка изменила ионную плотность на высоте 60 километров с 0,1 до 10 000 свободных электронов на кубический фут - увеличение на шесть порядков. Обычно ионосфере требуются сотни секунд, чтобы восстановиться после электромагнитных волн, запущенных молнией.
«Примечательно то, что ему потребовался час, чтобы вернуться после этого беспокойства», - сказал Инан. «Это очень необычное событие, и оно было на три порядка более интенсивным, чем событие [1998 года], которое мы считали очень интенсивным».
Детекторов, как спутниковых, так и планетарных
В 1988 году журнал Nature опубликовал отчет Инана и Джеральда Фишманов из Центра космических полетов НАСА им. Маршалла о первом наблюдаемом эффекте гамма-всплеска на ионосферу. 27 декабря 2004 года именно Фишман связался с Инаном, чтобы сообщить ему, что спутник зафиксировал колоссальный взрыв. Детектор спутника был разработан для обнаружения высокоэнергетического рентгеновского и гамма-излучения Солнца. В тот день детектор насчитал огромное количество гамма-лучей, насытился и перестал считать. Когда падающие гамма-лучи вспышки начали ослабевать, детектор снова начал считать.
В тот период, когда детектор не работал, у астрофизиков не было данных. Но группа Инана, постоянно отслеживающая ОНЧ-волны, распространяющиеся по планете, для измерения ионосферы, сделала это и, следовательно, имела данные для обмена. «Наш ответ продолжался, потому что Земля, конечно же, не насыщалась. Земля - слишком большой детектор, чтобы насыщать», - сказал Инан..
Вспышка гамма-излучения 1998 года имела низкоэнергетический компонент, сказал Инан. В то время как спутниковые детекторы ищут высокоэнергетические лучи (20 кэВ и выше), земная система СНЧ также может обнаруживать низкоэнергетические лучи.
«Наше моделирование показало нам, что, не предполагая наличие низкоэнергетического компонента, который был упущен нашими коллегами при измерениях космического корабля, мы не можем объяснить ионосферный эффект», - сказал Инан. «Это не относится к этому новому событию. Для этого нового события мы можем объяснить возмущение ионосферы, используя потоки и энергии, которые люди измерили на космическом корабле. Таким образом, эта конкретная вспышка может отличаться от предыдущей с точки зрения ее Не с точки зрения его интенсивности, которая связана с количеством и энергией фотонов, потому что мы знаем, что этот новый намного более интенсивен, а с точки зрения энергии фотонов, предыдущий, возможно, имел низкую -энергии фотонов, а также фотонов более высоких энергий."
Ученые также впервые увидели феномен - интенсивный, кратковременный (менее секунды) низкочастотный сигнал, - который они пока не понимают. Чтобы лучше понять это явление, Инан смоделирует ионосферу и загадает желание звезде, но это звезда более редкая, чем голубая луна: «Мы собираемся посмотреть, сможем ли мы получить подобный эффект теоретически. Но у нас его еще нет. И, конечно же, было бы очень полезно провести еще одно мероприятие."
СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ВЕБ-URL:
UMRAN S. INAN
www-star.stanford.edu/starlab_web_20030912/people/inan.html
ОЧЕНЬ НИЗКАЯ ЧАСТОТА ГРУППА
www-star.stanford.edu/~vlf/
STAR LAB
www-star.stanford.edu/
ПОСЛУШАЙТЕ УИСТЛЕРАhttps://www.stanford.edu/dept/news/pr/2006/pr-ainan-022206.html