L'ouragan Patricia a été le cyclone tropical le plus intense jamais enregistré dans l'hémisphère occidental à l'approche de la côte ouest du Mexique en 2015. Les chercheurs ont détecté un faisceau de positons inversé provenant d'un flash de rayons gamma terrestre associé à des éclairs dans le mur oculaire de l'ouragan. Crédit :image NASA de Jeff Schmaltz, Réponse rapide LANCE/EOSDIS
l'ouragan Patricia, qui a frappé la côte ouest du Mexique en 2015, a été le cyclone tropical le plus intense jamais enregistré dans l'hémisphère occidental. Au milieu de l'extrême violence de la tempête, les scientifiques ont observé quelque chose de nouveau :un faisceau descendant de positons, la contrepartie antimatière des électrons, créant une rafale de rayons gamma et de rayons X puissants.
Détecté par un instrument à bord de l'avion Hurricane Hunter de la NOAA, qui a traversé le mur de l'œil de la tempête à son intensité maximale, le faisceau de positons n'a pas été une surprise pour les scientifiques de l'UC Santa Cruz qui ont construit l'instrument. Mais c'était la première fois que quelqu'un observait ce phénomène.
Selon David Smith, professeur de physique à l'UC Santa Cruz, le faisceau de positons était la composante descendante d'un éclair de rayons gamma terrestre vers le haut qui envoyait une courte explosion de rayonnement dans l'espace au-dessus de la tempête. Les flashs gamma terrestres (TGF) ont été observés pour la première fois en 1994 par des détecteurs de rayons gamma spatiaux. Ils se produisent en conjonction avec la foudre et ont maintenant été observés des milliers de fois par des satellites en orbite. Un faisceau de positons inversé a été prédit par des modèles théoriques de TGF, mais n'avait jamais été détecté.
"C'est la première confirmation de cette prédiction théorique, et cela montre que les TGF perforent l'atmosphère de haut en bas avec un rayonnement à haute énergie, " Smith a déclaré. " Cet événement aurait pu être détecté depuis l'espace, comme presque tous les autres TGF signalés, comme un faisceau ascendant provoqué par une avalanche d'électrons. Nous l'avons vu d'en bas à cause d'un faisceau d'antimatière (positons) envoyé dans la direction opposée."
Des chercheurs des laboratoires SCIPP de l'UC Santa Cruz ont construit le détecteur aéroporté pour les émissions énergétiques de foudre (ADELE) mark II pour observer les TGF de près en mesurant les rayons X et les rayons gamma des avions volant dans ou au-dessus des orages. Crédit :Gregory Bowers
Une implication inattendue de l'étude, publié le 17 mai dans le Journal de recherche géophysique : Atmosphères , est que de nombreux TGF pourraient être détectés via le faisceau de positons inverse à l'aide d'instruments au sol à haute altitude. Il n'est pas nécessaire de voler dans l'œil d'un ouragan.
"Nous l'avons détecté à une altitude de 2,5 kilomètres, et j'ai estimé que nos détecteurs auraient pu le voir jusqu'à 1,5 kilomètre. C'est l'altitude de Denver, donc il y a plein d'endroits où tu pourrais en théorie les voir si tu avais un instrument au bon endroit au bon moment pendant un orage, " dit Smith.
Malgré la confirmation du faisceau de positons inversé, de nombreuses questions restent en suspens sur les mécanismes qui conduisent les TGF. Les champs électriques puissants des orages peuvent accélérer les électrons à près de la vitesse de la lumière, et ces électrons "relativistes" émettent des rayons gamma lorsqu'ils se dispersent des atomes dans l'atmosphère. Les électrons peuvent également faire tomber d'autres électrons des atomes et les accélérer à des énergies élevées, créant une avalanche d'électrons relativistes. Un TGF, qui est un flash extrêmement brillant de rayons gamma, nécessite un grand nombre d'avalanches d'électrons relativistes.
"C'est un événement extraordinaire, et nous ne comprenons toujours pas comment il devient si brillant, " dit Smith.
L'ADELE mark II a volé à bord du Hurricane Hunter WP-3D Orion de la NOAA pendant la saison des ouragans dans l'Atlantique. Crédit :Gregory Bowers
La source des positons, cependant, est un phénomène bien connu en physique appelé production de paires, dans lequel un rayon gamma interagit avec le noyau d'un atome pour créer un électron et un positon. Comme ils ont des charges opposées, ils sont accélérés dans des directions opposées par le champ électrique de l'orage. Les positons descendants produisent des rayons X et des rayons gamma dans leur direction de déplacement lorsqu'ils entrent en collision avec des noyaux atomiques, tout comme les électrons qui se déplacent vers le haut.
"Ce que nous avons vu dans l'avion, ce sont les rayons gamma produits par le faisceau de positons descendant, " dit Smith.
Premier auteur Gregory Bowers, maintenant au Laboratoire national de Los Alamos, et co-auteur Nicole Kelley, maintenant chez Swift Navigation, étaient tous deux des étudiants diplômés de l'UC Santa Cruz lorsqu'ils ont travaillé ensemble sur l'instrument qui a effectué la détection. Le détecteur aéroporté des émissions énergétiques de foudre (ADELE) mark II a été conçu pour observer les TGF de près en mesurant les rayons X et les rayons gamma des aéronefs survolant ou au-dessus des orages.
S'approcher trop près d'un TGF peut être dangereux, bien que le risque diminue rapidement avec l'éloignement de la source. La dose de rayons gamma à une distance d'un kilomètre serait négligeable, dit Smith. "C'est hypothétiquement un risque, mais les chances sont assez faibles, " dit-il. " Je ne demande pas aux pilotes de voler dans les orages, mais s'ils y vont quand même, je mettrai un instrument à bord."
Le groupe de Smith a été le premier à détecter un TGF d'un avion à l'aide d'un instrument antérieur, la marque ADELE I. Dans ce cas, le faisceau ascendant du TGF a été détecté au-dessus d'un orage. Pour cette étude, l'ADELE mark II a volé à bord du Hurricane Hunter WP-3-D Orion de la NOAA pendant la saison des ouragans dans l'Atlantique.
