A principios de la década de 2000, los científicos observaron la descarga de un rayo que producía rayos X compuestos por fotones de alta energía, el mismo tipo que se usa para imágenes médicas. Los investigadores pudieron recrear este fenómeno en el laboratorio, pero no pudieron explicar completamente cómo y por qué los rayos producían rayos X. Ahora, dos décadas después, un equipo dirigido por Penn State ha descubierto un nuevo mecanismo físico que explica los rayos X naturales asociados con la actividad de los rayos en la atmósfera terrestre.
Publicaron sus resultados el 30 de marzo en Cartas de investigación geofísica.
El hallazgo del equipo también podría arrojar luz sobre otro fenómeno: el pequeño impacto que a veces se siente al tocar el pomo de una puerta de metal. Llamada descarga de chispa, ocurre cuando se crea una diferencia de voltaje entre un cuerpo y un conductor. En una serie de experimentos de laboratorio en la década de 1960, los científicos descubrieron que las descargas de chispas producen rayos X, al igual que los rayos. Más de 60 años después, los científicos todavía están realizando experimentos de laboratorio para comprender mejor el mecanismo que sustenta este proceso.
Los relámpagos consisten en parte en electrones relativistas, que emiten espectaculares ráfagas de rayos X de alta energía con energías de decenas de mega electronvoltios llamadas destellos de rayos gamma terrestres (TGF). Los investigadores han creado simulaciones y modelos para explicar las observaciones de TGF, pero hay una falta de coincidencia entre los tamaños simulados y reales, según el autor principal Victor Pasko, profesor de ingeniería eléctrica de Penn State. Pasko y su equipo modelaron matemáticamente el fenómeno TGF para comprender mejor cómo puede ocurrir en el espacio compacto observado.
«Todas las simulaciones son muy grandes, generalmente de varios kilómetros de ancho, y la comunidad tiene dificultades para conciliar esto en este momento con las observaciones reales, porque cuando los rayos se propagan, son muy compactos», dijo Pasko, explicando que el canal espacial de los rayos suele ser de varios centímetros. en escala, con actividad de descarga eléctrica que produce rayos X que se expanden alrededor de las puntas de estos canales hasta 100 metros en casos extremos. «¿Por qué esa fuente es tan compacta? Ha sido un rompecabezas hasta ahora. Dado que estamos trabajando con volúmenes muy pequeños, también puede tener implicaciones para los experimentos de laboratorio con descargas de chispas en curso desde la década de 1960».
Pasko dijo que desarrollaron la explicación de cómo un campo eléctrico amplifica la cantidad de electrones, impulsando el fenómeno. Los electrones se dispersan en átomos individuales, que constituyen el aire, a medida que experimentan aceleración. A medida que los electrones se mueven, la mayoría avanza a medida que ganan energía y se multiplican, de forma similar a una avalancha de nieve, lo que les permite producir más electrones. A medida que la avalancha de electrones produce rayos X, que lanzan los fotones hacia atrás y producen nuevos electrones.
«A partir de ahí, la pregunta que queríamos responder matemáticamente era: ‘¿Cuál es el campo eléctrico que necesita aplicar para replicar esto, para lanzar suficientes rayos X hacia atrás para permitir la amplificación de estos electrones seleccionados?'», dijo Pasko. .
El modelo matemático estableció un umbral para el campo eléctrico, según Pasko, que confirmó el mecanismo de retroalimentación que amplifica las avalanchas de electrones cuando los rayos X emitidos por los electrones viajan hacia atrás y generan nuevos electrones.
«Los resultados del modelo concuerdan con la evidencia observacional y experimental que indica que los TGF se originan en regiones del espacio relativamente compactas con una extensión espacial del orden de 10 a 100 metros», dijo Pasko.
Además de describir los fenómenos de alta energía relacionados con los rayos, Pasko dijo que el trabajo podría eventualmente ayudar a diseñar nuevas fuentes de rayos X. Los investigadores dijeron que planean examinar el mecanismo utilizando diferentes materiales y gases, así como diferentes aplicaciones de sus hallazgos.
Los otros autores del artículo son Reza Janalizadeh, becario postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Eléctrica de Penn State; Sebastien Celestin de la Universidad de Orleans en Orleans, Francia; Anne Bourdon, de la Ecole Polytechnique de Palaiseau, Francia; y Jaroslav Jansky de la Universidad de Defensa en Brno, Chequia.
La Fundación Nacional de Ciencias financió este trabajo.
