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Procesos nucleares en las tormentas. Credit: Kyoto University/Teruaki Enoto. Click sobre la imagen para ampliar.
Un equipo de la Universidad de Kioto (Japón) ha descubierto que las tormentas eléctricas pueden desencadenar reacciones nucleares, según explican en un artículo publicado en la revista Nature, del que se informa en un comunicado.
Este trabajo ha permitido contar con la primera evidencia consistente de que estos fenómenos naturales generan isótopos radiactivos, después de que diversos estudios sugiriesen en el pasado que las tormentas podían generar neutrones.
Según explica uno de los investigadores, Teruaki Enoto, "instalamos cuatro detectores en un sitio en la costa este de Japón en 2006. En esta región, las tormentas son frecuentes y sus nubes son bastante bajas, lo que aumenta nuestras posibilidades de ver lo que sucede allí”.
El pasado 6 de febrero, dos rayos descargaron a una distancia aproximada de un kilómetro de los cuatro detectores, y este hecho fortuito permitió obtener la primera demostración concluyente de que las tormentas eléctricas generan reacciones nucleares.
Los instrumentos captaron, a la misma vez, la intensa radiación provocada por la tormenta. Registraron un gran pico de rayos gamma inmediatamente después de un rayo. Fue el momento en que el equipo se dio cuenta de que estaban viendo una cara nueva y oculta de un rayo.
En su artículo, los investigadores describen cómo la radiación gamma del rayo reacciona con el aire para producir radioisótopos e incluso positrones. El positrón o antielectrón es una partícula elemental, la antipartícula del electrón. No forma parte de la materia ordinaria, sino de la antimateria.
Antimateria en el cielo
"Tenemos la idea de que la antimateria es algo que sólo existe en la ciencia ficción. ¿Quién sabía que podría estar pasando por encima de nuestras cabezas en un día tormentoso?" dice Enoto, comentando los sucesos de los positrones.
Cuando analizaron los datos, los científicos encontraron tres explosiones distintas de rayos gamma. La primera tenía menos de un milisegundo de duración; la segunda fue un resplandor de rayos gamma que duró varias docenas de milisegundos; y finalmente hubo una emisión prolongada que duró aproximadamente un minuto.
Enoto explica: "Podríamos decir que el primer estallido fue del rayo. A través de nuestros análisis y cálculos, finalmente determinamos también los orígenes de la segunda y tercera emisión”.
El segundo resplandor crepuscular, por ejemplo, fue causado por un rayo que reaccionó con nitrógeno en la atmósfera. Los rayos gamma emitidos en un rayo tienen energía suficiente para expulsar a un neutrón del nitrógeno atmosférico, y fue la reabsorción de este neutrón por parte de las partículas de la atmósfera, lo que produjo el resplandor del rayo gamma.
La emisión final y prolongada fue a partir de la descomposición de átomos de nitrógeno inestables y pobres en neutrones. Estos positrones liberados, que posteriormente colisionaron con electrones en eventos de aniquilación, liberaron rayos gamma.
Este trabajo ha permitido contar con la primera evidencia consistente de que estos fenómenos naturales generan isótopos radiactivos, después de que diversos estudios sugiriesen en el pasado que las tormentas podían generar neutrones.
Según explica uno de los investigadores, Teruaki Enoto, "instalamos cuatro detectores en un sitio en la costa este de Japón en 2006. En esta región, las tormentas son frecuentes y sus nubes son bastante bajas, lo que aumenta nuestras posibilidades de ver lo que sucede allí”.
El pasado 6 de febrero, dos rayos descargaron a una distancia aproximada de un kilómetro de los cuatro detectores, y este hecho fortuito permitió obtener la primera demostración concluyente de que las tormentas eléctricas generan reacciones nucleares.
Los instrumentos captaron, a la misma vez, la intensa radiación provocada por la tormenta. Registraron un gran pico de rayos gamma inmediatamente después de un rayo. Fue el momento en que el equipo se dio cuenta de que estaban viendo una cara nueva y oculta de un rayo.
En su artículo, los investigadores describen cómo la radiación gamma del rayo reacciona con el aire para producir radioisótopos e incluso positrones. El positrón o antielectrón es una partícula elemental, la antipartícula del electrón. No forma parte de la materia ordinaria, sino de la antimateria.
Antimateria en el cielo
"Tenemos la idea de que la antimateria es algo que sólo existe en la ciencia ficción. ¿Quién sabía que podría estar pasando por encima de nuestras cabezas en un día tormentoso?" dice Enoto, comentando los sucesos de los positrones.
Cuando analizaron los datos, los científicos encontraron tres explosiones distintas de rayos gamma. La primera tenía menos de un milisegundo de duración; la segunda fue un resplandor de rayos gamma que duró varias docenas de milisegundos; y finalmente hubo una emisión prolongada que duró aproximadamente un minuto.
Enoto explica: "Podríamos decir que el primer estallido fue del rayo. A través de nuestros análisis y cálculos, finalmente determinamos también los orígenes de la segunda y tercera emisión”.
El segundo resplandor crepuscular, por ejemplo, fue causado por un rayo que reaccionó con nitrógeno en la atmósfera. Los rayos gamma emitidos en un rayo tienen energía suficiente para expulsar a un neutrón del nitrógeno atmosférico, y fue la reabsorción de este neutrón por parte de las partículas de la atmósfera, lo que produjo el resplandor del rayo gamma.
La emisión final y prolongada fue a partir de la descomposición de átomos de nitrógeno inestables y pobres en neutrones. Estos positrones liberados, que posteriormente colisionaron con electrones en eventos de aniquilación, liberaron rayos gamma.
Aceleradores de partículas sobre nuestras cabezas
El rayo gamma representa la forma más energética del espectro de luz. Se asocia con reacciones nucleares en estrellas, pero también con reactores de uranio y aceleradores de partículas.
Según Teruaki Enoto, los rayos gamma son absorbidos por átomos de la atmósfera, desestabilizándolos y desencadenando reacciones nucleares. Estas reacciones generan a su vez neutrones e isótopos radiactivos inestables, que a su vez causan la producción de positrones (antimateria).
Hace veinticinco años, un telescopio espacial estadounidense puesto en órbita para observar los rayos gamma cósmicos, comenzó a ver, por casualidad, breves destellos de origen terrestre, los Terrestrial gamma-ray flash.
En la actualidad se sabe que los rayos y las nubes tormentosas funcionan como una especie de aceleradores de partículas. El campo eléctrico generado por los rayos es capaz de acelerar electrones de la atmósfera a muy altas energías. Al desacelerarse, estos electrones emiten esta energía en forma de rayos gamma.
Esta investigación demuestra que las tormentas eléctricas constituyen la segunda fuente natural de isótopos radiactivos en la Tierra, tras la interacción de rayos cósmicos en la atmósfera.
El rayo gamma representa la forma más energética del espectro de luz. Se asocia con reacciones nucleares en estrellas, pero también con reactores de uranio y aceleradores de partículas.
Según Teruaki Enoto, los rayos gamma son absorbidos por átomos de la atmósfera, desestabilizándolos y desencadenando reacciones nucleares. Estas reacciones generan a su vez neutrones e isótopos radiactivos inestables, que a su vez causan la producción de positrones (antimateria).
Hace veinticinco años, un telescopio espacial estadounidense puesto en órbita para observar los rayos gamma cósmicos, comenzó a ver, por casualidad, breves destellos de origen terrestre, los Terrestrial gamma-ray flash.
En la actualidad se sabe que los rayos y las nubes tormentosas funcionan como una especie de aceleradores de partículas. El campo eléctrico generado por los rayos es capaz de acelerar electrones de la atmósfera a muy altas energías. Al desacelerarse, estos electrones emiten esta energía en forma de rayos gamma.
Esta investigación demuestra que las tormentas eléctricas constituyen la segunda fuente natural de isótopos radiactivos en la Tierra, tras la interacción de rayos cósmicos en la atmósfera.
Referencia
Photonuclear reactions triggered by lightning discharge. Nature 551, 481–484 (23 November 2017). doi:10.1038/nature24630.
Photonuclear reactions triggered by lightning discharge. Nature 551, 481–484 (23 November 2017). doi:10.1038/nature24630.
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Los electrones abren un nuevo mundo a la física cuántica
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