Un détecteur de surface à réseau de télescopes et ses voisins, déployé dans le désert de l'ouest de l'Utah. Les 507 détecteurs sont disposés sur une grille couvrant 700 kilomètres carrés, environ la même que la superficie de la ville de New York. Crédit : Collaboration avec le réseau de télescopes
Dans l'ouest du désert de l'Utah, le Telescope Array s'étend sur une zone de la taille de la ville de New York, en attendant les rayons cosmiques. L'installation détecte les particules de haute énergie qui entrent constamment en collision avec l'atmosphère terrestre; les rayons cosmiques déclenchent les 500 capteurs et plus une fois toutes les quelques minutes.
En déversant sur les données en 2013, Les physiciens de Telescope Array ont découvert une étrange signature de particules; l'équivalent photonique d'une bruine légère ponctuée par une lance à incendie. Le réseau avait enregistré de manière inattendue un phénomène extrêmement rare :les rayons gamma, les ondes lumineuses les plus énergétiques du spectre électromagnétique, produite par des éclairs qui projettent le rayonnement vers la surface de la Terre. Cinq ans plus tard, une équipe internationale dirigée par le Cosmic Ray Group de l'Université de l'Utah a observé les éclairs de rayons gamma terrestres (TGF) vers le bas avec plus de détails que jamais auparavant.
Le Telescope Array a détecté 10 rafales de TGF descendants entre 2014 et 2016, plus d'événements que ceux observés dans le reste du monde réunis. Le Telescope Array Lightning Project est le premier à détecter les TGF descendants au début de la foudre nuage-sol, et pour montrer d'où ils proviennent à l'intérieur des orages. Le Telescope Array est de loin la seule installation capable de documenter l'intégralité de l'« empreinte » du TGF au sol, et montrent que les rayons gamma couvrent une zone de 3 à 5 km de diamètre.
"Ce qui est vraiment cool, c'est que le Telescope Array n'a pas été conçu pour les détecter, " a déclaré l'auteur principal Rasha Abbasi, chercheur à l'Institut d'astrophysique des hautes énergies et au Département de physique et d'astronomie de l'U. "Nous sommes 100 fois plus grands que les autres expériences, et le temps de réponse de notre détecteur est beaucoup plus rapide. Tous ces facteurs nous donnent une capacité dont nous n'étions pas conscients :nous pouvons regarder la foudre d'une manière que personne d'autre ne peut. »
L'étude publiée en ligne le 17 mai dans Le Journal of Geophysical Research :Atmosphères .
Un laboratoire accidentellement parfait
Le travail s'appuie sur une étude publiée par le groupe l'année dernière qui a établi une forte corrélation entre des rafales similaires de gerbes de particules énergétiques détectées entre 2008 et 2013, et l'activité de foudre enregistrée par le Réseau national de détection de la foudre. Les physiciens étaient stupéfaits.
"C'était BOUM BOUM BOUM BOUM. Comme, quatre ou cinq déclenchements des détecteurs se produisant en une milliseconde. Beaucoup plus vite que ce à quoi pourraient s'attendre les rayons cosmiques, " a déclaré John Belz, professeur de physique à l'U et chercheur principal du Telescope Array Lightning Project financé par la National Science Foundation. "Nous avons finalement réalisé que tous ces événements étranges se sont produits lorsque le temps était mauvais. Alors, nous avons examiné le Réseau national de détection de la foudre et, bas et voici, il y aurait un coup de foudre, et en une milliseconde, nous obtiendrions une rafale de déclencheurs."
Les chercheurs ont fait appel à des experts de la foudre du Langmuir Laboratory for Atmospheric Research de New Mexico Tech pour aider à étudier la foudre plus en détail. Ils ont installé un Lightning Mapping Array de neuf stations développé par le groupe, qui produit des images 3D du rayonnement radiofréquence émis par la foudre à l'intérieur d'un orage. En 2014, ils ont installé un instrument supplémentaire au centre du réseau, appelé "antenne lente", qui enregistre les changements dans la charge électrique de l'orage causés par la décharge de la foudre.
L'éclair lumineux n'est qu'une étape de la foudre; il y a une sous-structure qui arrive trop vite pour que l'œil puisse le voir. Les « leaders d'étape » avancent vers le sol par étapes. Une charge électrique négative s'accumule à la pointe du leader jusqu'à ce qu'elle soit suffisante pour provoquer la décomposition de l'air et former un nouveau chemin conducteur. L'étude a révélé que les rayons gamma terrestres sont produits dans les 1 à 2 premières millisecondes de l'étape de décomposition initiale, qui est la partie la moins comprise de la foudre. Crédit :National Oceanography and Atmospheric Administration
"Pris ensemble, les détections de Telescope Array et les observations de foudre constituent une avancée majeure dans notre compréhension des TGF. Avant cela, Les TGF ont été principalement détectés par les satellites, avec peu ou pas de données au sol pour indiquer comment ils sont produits", dit Paul Krehbiel, chercheur de longue date sur la foudre au New Mexico Institute of Mining and Technology et co-auteur de l'étude. "En plus de fournir une bien meilleure couverture de zone pour détecter les rayons gamma, les mesures du réseau sont beaucoup plus proches de la source TGF et montrent que les rayons gamma sont produits en salves de courte durée, chacune ne durant que dix à quelques dizaines de microsecondes."
Un phénomène extrêmement rare
Jusqu'à ce qu'un satellite FERMI enregistre le premier TGF en 1994, les physiciens ne pensaient qu'à des événements célestes violents, comme les étoiles qui explosent, pourrait produire des rayons gamma. Progressivement, les scientifiques ont déterminé que les rayons ont été produits dans les premières millisecondes de la foudre intranuageuse ascendante, qui a projeté les rayons dans l'espace. Depuis la découverte de ces TGF ascendants, les physiciens se sont demandé si la foudre nuage-sol pouvait produire des TGF similaires qui se diffusent vers la surface de la Terre.
Précédemment, seuls six TGF à la baisse ont été enregistrés, dont deux provenaient d'expériences de foudre induites artificiellement. Les quatre études restantes avec la foudre naturelle rapportent des TGF d'origine beaucoup plus tardive, après que la foudre ait déjà frappé le sol. Les observations du réseau sont les premières à montrer que des TGF descendants se produisent dans la phase initiale de claquage de la foudre, similaire aux observations satellitaires.
"Les TGF descendants proviennent d'une source similaire à ceux ascendants. Nous supposons sans risque que nous avons une physique similaire en cours. Ce que nous voyons au sol peut aider à expliquer ce qu'ils voient dans les satellites, et nous pouvons combiner ces images afin de comprendre le mécanisme de la façon dont cela se produit, " dit Abbasi.
"Le mécanisme qui produit les rayons gamma n'a pas encore été compris, " a ajouté Krehbiel.
Et après
Les chercheurs ont de nombreuses questions sans réponse. Par exemple, tous les éclairs ne créent pas les éclairs. Est-ce parce qu'un seul type particulier d'initiation de foudre les produit ? Les scientifiques ne voient-ils qu'un sous-ensemble de TGF qui s'avèrent être assez grands, ou pointer dans la bonne direction, être détecté ?
L'équipe espère apporter des capteurs supplémentaires au réseau de télescopes pour améliorer les mesures de la foudre. En particulier, l'installation d'une "antenne rapide" à détection radiostatique permettrait aux physiciens de voir la sous-structure dans les changements de champ électrique au début du flash.
"En apportant d'autres types de détecteurs de foudre et en augmentant l'effort, Je pense que nous pouvons devenir un acteur important dans ce domaine de recherche, " a déclaré Belz.
