Furacão Patricia, que atingiu a costa oeste do México em 2015, foi o ciclone tropical mais intenso já registrado no Hemisfério Ocidental. Em meio à extrema violência da tempestade, os cientistas observaram algo novo:um feixe de pósitrons para baixo, a contraparte de antimatéria dos elétrons, criando uma explosão de poderosos raios gama e raios-x.

Detectado por um instrumento a bordo da aeronave Hurricane Hunter da NOAA, que voou através da parede do olho da tempestade em seu pico de intensidade, o feixe de pósitrons não foi uma surpresa para os cientistas da UC Santa Cruz que construíram o instrumento. Mas foi a primeira vez que alguém observou esse fenômeno.

De acordo com David Smith, um professor de física na UC Santa Cruz, o feixe de pósitrons era o componente descendente de um flash de raios gama terrestre ascendente que enviou uma pequena explosão de radiação para o espaço acima da tempestade. Flashes de raios gama terrestres (TGFs) foram vistos pela primeira vez em 1994 por detectores de raios gama baseados no espaço. Eles ocorrem em conjunto com relâmpagos e agora foram observados milhares de vezes por satélites em órbita. Um feixe de pósitron reverso foi previsto por modelos teóricos de TGFs, mas nunca tinha sido detectado.

"Esta é a primeira confirmação dessa previsão teórica, e mostra que os TGFs estão perfurando a atmosfera de cima para baixo com radiação de alta energia, "Disse Smith." Este evento pode ter sido detectado do espaço, como quase todos os outros TGFs relatados, como um feixe ascendente causado por uma avalanche de elétrons. Vimos de baixo por causa de um feixe de antimatéria (pósitrons) enviado na direção oposta. "

Uma implicação inesperada do estudo, publicado em 17 de maio no Journal of Geophysical Research : Atmosferas , é que muitos TGFs poderiam ser detectados por meio do feixe de pósitrons reverso usando instrumentos baseados no solo em grandes altitudes. Não é necessário voar para dentro de um furacão.

“Detectamos a uma altitude de 2,5 quilômetros, e eu estimei que nossos detectores poderiam ter visto até 1,5 km. Essa é a altitude de Denver, então, há muitos lugares onde você poderia, em teoria, vê-los se tivesse um instrumento no lugar certo na hora certa durante uma tempestade, "Smith disse.

Apesar da confirmação do feixe de pósitron reverso, muitas questões permanecem sem solução sobre os mecanismos que impulsionam os TGFs. Campos elétricos fortes em tempestades podem acelerar os elétrons para perto da velocidade da luz, e esses elétrons "relativísticos" emitem raios gama quando se espalham de átomos na atmosfera. Os elétrons também podem retirar outros elétrons dos átomos e acelerá-los a altas energias, criando uma avalanche de elétrons relativísticos. A TGF, que é um flash extremamente brilhante de raios gama, requer um grande número de avalanches de elétrons relativísticos.

“É um evento extraordinário, e ainda não entendemos como fica tão brilhante, "Smith disse.

A fonte dos pósitrons, Contudo, é um fenômeno bem conhecido na física chamado produção de pares, em que um raio gama interage com o núcleo de um átomo para criar um elétron e um pósitron. Uma vez que eles têm cargas opostas, eles são acelerados em direções opostas pelo campo elétrico da tempestade. Os pósitrons que se movem para baixo produzem raios-x e raios gama em sua direção de viagem quando colidem com os núcleos atômicos, assim como os elétrons que se movem para cima.

"O que vimos na aeronave são os raios gama produzidos pelo feixe de pósitrons para baixo, "Smith disse.

Primeiro autor Gregory Bowers, agora no Laboratório Nacional de Los Alamos, e co-autora Nicole Kelley, agora em Swift Navigation, eram ambos estudantes de graduação na UC Santa Cruz quando trabalharam juntos no instrumento que fez a detecção. O Detector Aerotransportado para Emissões Energéticas de Raios (ADELE) marca II foi projetado para observar TGFs de perto, medindo raios-x e raios gama de aeronaves voando dentro ou acima de tempestades.

Chegar muito perto de um TGF pode ser perigoso, embora o risco diminua rapidamente com a distância da fonte. A dose de raios gama a uma distância de um quilômetro seria insignificante, Smith disse. "É hipoteticamente um risco, mas as chances são muito pequenas, "ele disse." Eu não peço aos pilotos para voar em tempestades, mas se eles forem de qualquer maneira, colocarei um instrumento a bordo. "

O grupo de Smith foi o primeiro a detectar um TGF de um avião usando um instrumento anterior, a marca ADELE I. Nesse caso, o feixe ascendente do TGF foi detectado acima de uma tempestade. Para este estudo, o ADELE mark II voou a bordo do Hurricane Hunter WP-3-D Orion da NOAA durante a temporada de furacões no Atlântico.