Satellite Fermi: antimateria dai temporali

La missione orbitale Fermi, con a bordo un sistema di monitoraggio dei brillamenti gamma che arrivano dallo spazio, ha scoperto una inattesa sorgente gamma comunissima nella nostra atmosfera: i temporali. L'aspetto più incredibile è che le esplosioni di raggi gamma rilevate dalla sonda della NASA sono legate all'interazione tra materia e anti-materia. Nell'articolo che segue gli scienziati del Fermi spiegano che in caso di forti temporali le cariche determinano una improvvisa accelerazione degli elettroni che sovrastano le scariche atmosferiche. Una vera "valanga" di elettroni che sale verso lo spazio e interagendo con le molecole dell'atmosfera produce raggi gamma. A loro volta, i raggi investono nuovi elettroni, che accelerati generano altri raggi gamma in una esplosiva reazione a catena. Passando molto vicino ai nuclei degli atomi, i raggi gamma decadono in una coppia elettrone-positrone: l'elettrone e il suo equivalente in antimateria. Il laboratorio orbitale del Fermi ha potuto ricostruire il fenomeno perché il suo sistema di monitoraggio gamma ha rilevato raggi di una particolare intensità, circa mezzo milione di elettronVolt. La soglia rappresenta un preciso marker dell'interazione tra l'antimateria prodotta dai forti temporali (i positroni) e gli elettroni della sonda stessa. Ricombinandosi, positroni ed elettroni si annichiliscono a vicenda lasciandosi dietro una scia di altri raggi gamma a 511mila eV.

L'evento non è particolarmente raro, ma non si verifica con tutti i temporali. In circa tre anni Fermi ha misurato circa 130 brillamenti gamma di origine terrestre. Ora gli scienziati devono capire perché certe tempeste sono così speciali e determinare il ruolo dei fulmini come fattore scatenante della "valanga" che sfocia in produzione di antimateria. Mi chiedo se a loro volta i positroni e i raggi gamma prodotti dalla collisione tra materia e antimateria possono avere un effetto sulla ionosfera. Gli scienziati hanno per esempio descritto il fenomeno delle nubi noctilucenti, un effetto per certi versi simile alle aurore boreali e tra gli studiosi della ionosfera si ipotizza una possibile correlazione con fenomeni radiopropagativi speciali, come l'E sporadico. E se anche queste inattese centrali di produzione di antimateria fossero in qualche modo coinvolte?

Thunderstorms Make Antimatter

Jan. 11, 2011: Scientists using NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope have detected beams of antimatter produced above thunderstorms on Earth, a phenomenon never seen before.

Scientists think the antimatter particles were formed inside thunderstorms in a terrestrial gamma-ray flash (TGF) associated with lightning. It is estimated that about 500 TGFs occur daily worldwide, but most go undetected.

"These signals are the first direct evidence that thunderstorms make antimatter particle beams," said Michael Briggs, a member of Fermi's Gamma-ray Burst Monitor (GBM) team at the University of Alabama in Huntsville (UAH). He presented the findings Monday, during a news briefing at the American Astronomical Society meeting in Seattle.

Fermi is designed to monitor gamma rays, the highest energy form of light. When antimatter striking Fermi collides with a particle of normal matter, both particles immediately are annihilated and transformed into gamma rays. The GBM has detected gamma rays with energies of 511,000 electron volts, a signal indicating an electron has met its antimatter counterpart, a positron.

Although Fermi's GBM is designed to observe high-energy events in the universe, it's also providing valuable insights into this strange phenomenon. The GBM constantly monitors the entire celestial sky above and the Earth below. The GBM team has identified 130 TGFs since Fermi's launch in 2008.

"In orbit for less than three years, the Fermi mission has proven to be an amazing tool to probe the universe. Now we learn that it can discover mysteries much, much closer to home," said Ilana Harrus, Fermi program scientist at NASA Headquarters in Washington.

The spacecraft was located immediately above a thunderstorm for most of the observed TGFs, but in four cases, storms were far from Fermi. In addition, lightning-generated radio signals detected by a global monitoring network indicated the only lightning at the time was hundreds or more miles away. During one TGF, which occurred on Dec. 14, 2009, Fermi was located over Egypt. But the active storm was in Zambia, some 2,800 miles to the south. The distant storm was below Fermi's horizon, so any gamma rays it produced could not have been detected.

"Even though Fermi couldn't see the storm, the spacecraft nevertheless was magnetically connected to it," said Joseph Dwyer at the Florida Institute of Technology in Melbourne, Fla. "The TGF produced high-speed electrons and positrons, which then rode up Earth's magnetic field to strike the spacecraft."

The beam continued past Fermi, reached a location, known as a mirror point, where its motion was reversed, and then hit the spacecraft a second time just 23 milliseconds later. Each time, positrons in the beam collided with electrons in the spacecraft. The particles annihilated each other, emitting gamma rays detected by Fermi's GBM.

Scientists long have suspected TGFs arise from the strong electric fields near the tops of thunderstorms. Under the right conditions, they say, the field becomes strong enough that it drives an upward avalanche of electrons. Reaching speeds nearly as fast as light, the high-energy electrons give off gamma rays when they're deflected by air molecules. Normally, these gamma rays are detected as a TGF.

But the cascading electrons produce so many gamma rays that they blast electrons and positrons clear out of the atmosphere. This happens when the gamma-ray energy transforms into a pair of particles: an electron and a positron. It's these particles that reach Fermi's orbit.

The detection of positrons shows many high-energy particles are being ejected from the atmosphere. In fact, scientists now think that all TGFs emit electron/positron beams. A paper on the findings has been accepted for publication in Geophysical Research Letters.

"The Fermi results put us a step closer to understanding how TGFs work," said Steven Cummer at Duke University. "We still have to figure out what is special about these storms and the precise role lightning plays in the process."

La stagione delle nubi luminescenti

Nella tarda primavera delle latitudini settentrionali, ha inizio la breve stagione delle nubi noctilucenti, formazioni mesosferiche che dopo il tramonto emettono una luce azzurrina, un effetto a metà strada tra la nube temporalesca e l'aurora boreale, di estremo fascino. Arrivano numerose segnalazioni delle "NLC" dagli astronomi dilettanti nordeuropei (la foto accanto viene dall'Irlanda del Nord). Ecco un recente link sull'argomento da Spaceweather.com. Secondo alcune teorie, le nubi potrebbero essere legate ai meccanismi che determinano le condizioni propagative in E sporadico in FM, che si verificano guarda caso nello stesso periodo. In genere il picco di attività ricorre proprio alla fine dei minimi solari, come quello, assai prolungato, che solo recentemente abbiamo superato.

L'origine del fenomeno è ancora misteriosa. Le prime osservazioni risalgono agli anni della famosa eruzione del Krakatoa nel 1883 e allora si pensò a un collegamento con le ceneri vulcaniche. Tuttavia dopo che le ceneri si depositarono le nubi sono state avvistate ancora, addirittura sotto i 50 gradi di latitudine nord. La missione satellitare AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere), della NASA, ha stabilito che a emettere la luce sono formazioni di particelle di ghiaccio a circa 85 km di altitudine (proprio quella dell'E sporadico) cristalli microscopici di 40-100 nanometri di diametro.

Recent data from NASA's AIM spacecraft show that noctilucent clouds (NLCs) are like a great "geophysical light bulb." They turn on every year in late spring, reaching almost full intensity over a period of no more than 5 to 10 days. News flash: The bulb is beginning to glow. Jesper Grønne photographed a bank of NLCs rippling over Silkeborg, Denmark, on June 1st. "I made a 3-hour movie of the phenomenon," says Grønne. "There was a lot of activity." Lars Zielke of Tvis, Denmark, witnessed the same display. "They were visible due north near the horizon. The clouds were not spectacular compared to others I've seen, but it's a start."

There is a well-known correlation between noctilucent clouds and the solar cycle. NLC activity tends to peak during (and just after) years of solar minimum, possibly because low solar activity allows the upper atmosphere to cool, promoting the growth of ice crystals that make up the clouds. With the sun slowly emerging from a century-class minimum, the stage could be set for a good season of NLC watching.

Typically, the first NLCs of spring are wan and pale, followed by better displays as summer unfolds.

Observing tips: Look west 30 to 60 minutes after sunset when the Sun has dipped 6o to 16o below the horizon. If you see luminous blue-white tendrils spreading across the sky, you may have spotted a noctilucent cloud.

Nubi noctilucenti, uno spettacolo da minimo solare

Tenui tentacoli azzurrini risplendenti in un cielo quasi notturno, 30, 60 minuti dopo il tramonto. Un fenomeno, quello delle nubi noctilucenti, probabilmente legato all'attività geomagnetica e all'interazione con le particelle solari che tuttavia sembra raggiungere una picco di frequenza nel periodo di minimo solare. Alcuni ritengono che ci possa essere qualche forma di correlazione con le aperture in E sporadico, considerando anche che le nubi in questione sono a quota piuttosto elevata. Siamo alle quote della mesosfera, poche decine di chilometri sotto lo strato ionosferico E. A questa altezza l'acqua di norma non dovrebbe essercene, anzi, la mesosfera è freddissima e molto secca. Ma le nuvole, anche quelle rifulgenti, sono fatte di cristalli di ghiaccio ed è quasi certo che se l'acqua che li forma arrivi da terra per effetto dei venti, si ipotizza che i granelli di polvere intorno a cui i cristalli di "nucleotizzano", possano provenire dallo spazio, forse dagli sciami meteorici. Ma perché questa strana correlazione con il minimo solare? Il 16 giugno sono state avvistate in Europa e altrove nubi noctilucenti molto spettacolari e il sito Spaceweather ha messo insieme una bella galleria di immagini.
Queste affascinanti, fantasmatiche formazioni si osservano più spesso a latitudini artiche (la fotografia mostra una nube osservata da un aereo in volo a sud della Groenlandia) ma qualche giorno fa sono state avvistate anche nell'Europa centro-occidentale.

Nubi luminose, come si formano?

Le chiamano nubi noctilucenti e sono un fenomeno mesosferico - poco sopra le quote della ionosfera - che gli scienziati giudicano "recente" e probabilmente associato agli stessi meccanismi di inquinamento descritti per il global warming. Sono nuvole elevate (la mesosfera è più alta della troposfera) che assumono una luminescenza azzurrina in corrispondenza del tramonto e si osservano più comunemente alle latitudini estreme. Una denominazione più tecnica è infatti "nubi mesosferiche polari". Il fatto è che questi fenomeni, osservati per la prima volta alla fine del XIX secolo dopo l'eruzione del Krakatoa, si verificano sempre più spesso a latitudini basse, come in centro Europa. E si pensa che possa esserci una correlazione, oltre che con le polveri prodotte da eruzioni e attività umane, anche col ciclo solare. Anzi, c'è anche chi teorizza le nubi noctilucenti, un fenomeno tipicamente estivo, in qualche modo correlate alle aperture E-sporadiche (anche se si tratta di una correlazione non ancora accertata e negata da alcuni). Le nuvole luminose, che possono ricordare ma non sono l'aurora boreale, son posizionate a quanto sembra tra i 100 e i 120 km di quota, una ventina sopra lo strato Es.

Fatto sta che per vederci ancora più chiaro sulle nubi notturne, la NASA ha messo in orbita la missione AIM Aeronomy of Ice in the Mesosphere, una sonda mesosferica che osserverà le nuvole dall'alto e potrebbe finalmente stabilire la verità su cause, concause, effetti e possibili relazioni con altri fenomeni.

NASA's AIM spacecraft is in Earth orbit today following a flawless Wednesday afternoon launch aboard an Pegasus XL rocket. AIM is on a mission to study mysterious noctilucent clouds, such as these. Noctilucent clouds ("NLCs" for short) were first noticed in the 19th century following the eruption of the Krakatoa volcano. After sunset, electric-blue tendrils would spread across the western sky, mesmerizing onlookers. At first scientists thought the clouds were a side-effect of the eruption, but long after Krakatoa's dust has settled, the clouds are still here. Indeed, they are becoming more widespread. Originally confined to high latitudes such as Canada and Scandinavia, NLCs have been seen in recent years as far south as Viriginia and Colorado. What causes NLCs? Theories range from space dust to global warming. For the next two years, AIM will scrutinize these clouds from Earth orbit to learn what they may be telling us about our planet.

Sul sito di Spaceweather.com si trova anche una spettacolare galleria di immagini, ma non perdetevi assolutamente la raccolta di fotografie di Pekka Parviainen, disponibili su Polarimage.fi.