Вчені наблизились до розгадки блискавок і несподівано знайшли зв'язок із космосом

Блискавки супроводжують людство тисячоліттями. Давні греки вважали їх зброєю богів, у скандинавській міфології вони були пов'язані з Тором, а в Китаї грім асоціювали з божественним покаранням. Проте навіть сучасна наука досі не має повного пояснення того, як саме виникає блискавка. Про це пише Quanta magazine.

Чому блискавка досі залишається загадкою?

Довгий час фізики вважали, що механізм добре зрозумілий. Ще після знаменитого експерименту Benjamin Franklin у 1752 році науковці пов'язали блискавку з електрикою. Вважалось, що процес у грозовій хмарі працює так само, як електрична іскра між двома металевими кулями у лабораторії – лише у значно більших масштабах.

Коли електричне поле стає достатньо сильним, воно починає виривати електрони з атомів повітря. Виникає лавина заряджених частинок, повітря нагрівається і перетворюється на плазмовий канал, який ми бачимо як блискавку.

Фізики розрахували, що для такого пробою повітря потрібна напруженість поля приблизно: E≈3×106 В/м

Однак у середині XX століття дослідники почали запускати у грозові хмари ракети, повітряні кулі та інші прилади й виявили проблему. Реальні електричні поля у хмарах виявились значно слабшими за необхідний поріг. Типова гроза має лише приблизно десяту частину потрібної сили поля.

Це створило фундаментальну загадку: якщо умов для виникнення блискавки недостатньо, чому вона взагалі виникає?

Як грози пов'язали з гамма-випромінюванням?

Ситуація різко змінилась у 1994 році, коли супутник NASA, призначений для спостереження за космічними вибухами, раптово зафіксував гамма-спалахи, що виходили прямо з грозових хмар.

Гамма-випромінювання зазвичай асоціюється з надновими зорями, нейтронними зорями або чорними дірами. Побачити його у звичайній земній грозі було несподівано.

Саме тоді астрофізик Joseph Dwyer, який до того вивчав сонячні спалахи за допомогою супутника NASA Wind, звернув увагу на блискавки у Флориді. За його словами, одного разу за вікном буквально "було бум, бум, бум", після чого він зрозумів, що блискавка насправді є нерозв'язаною науковою проблемою.

Двайер звернувся до теорії "релятивістських електронів", яку раніше запропонував лауреат Нобелівської премії Чарльз Вілсон. Суть ідеї полягає в тому, що електрони, які рухаються майже зі швидкістю світла, можуть практично не відчувати опору повітря і починати неконтрольовано прискорюватись.

Пізніше російський фізик Aleksandr Gurevich припустив, що такі "втікаючі" електрони можуть створювати каскади частинок довжиною у сотні або навіть тисячі метрів.

Що відбувається всередині грозової хмари?

За теорією Двайера, всередині грозових хмар запускається справжня субатомна лавина.

Один високоенергетичний електрон стикається з атомом повітря та випромінює гамма-квант. Той своєю чергою може породити електрон і позитрон – античастинку електрона. Електричне поле хмари розганяє ці частинки, запускаючи нові каскади.

У результаті виникає ланцюгова реакція, яка різко посилює електричне поле всередині грози. Сам Двайер порівняв цей процес із мікрофоном біля динаміка: "Все дуже швидко стає надзвичайно гучним". Комп'ютерні симуляції показали, що така модель здатна пояснити і гамма-спалахи, і зростання електричного поля до рівня, необхідного для утворення блискавки.

Що показала місія NASA ALOFT?

Справжній прорив стався у 2023 році під час місії NASA ALOFT. Дослідники встановили детектори гамма-випромінювання на висотний літак ER-2 та почали літати просто над потужними тропічними грозами у Карибському регіоні, Мексиканській затоці та Центральній Америці.

Результати виявились несподіваними.

Грозові хмари буквально світились гамма-випромінюванням. Крім великих спалахів, дослідники виявили слабкі мерехтіння, які раніше були невидимі для супутників.

Особливо важливим стало те, що характер цих мерехтінь майже точно збігся з прогнозами комп'ютерних моделей Двайера. Це стало одним із найсильніших доказів того, що всередині гроз дійсно відбуваються релятивістські лавини частинок.

Атмосферний фізик Caitano da Silva заявив: "У науковій спільноті зростає консенсус щодо того, що високоенергетичні процеси відіграють критичну роль у запуску блискавки".

Чи можуть блискавки запускати космічні промені?

Попри успіхи нової теорії, остаточної відповіді фізики поки не мають. У 2025 році дослідник Xuan-Min Shao зафіксував дивну особливість блискавок у пустелі Нью-Мексико. Аналіз радіохвиль показав, що початковий напрямок розвитку блискавки інколи не збігається з напрямком електричного поля у хмарі.

Це може свідчити про зовнішній вплив. Одна з найсміливіших гіпотез припускає, що блискавку можуть запускати космічні промені – потоки частинок, які виникають під час вибухів наднових зір, активності чорних дір або інших катастрофічних подій у Всесвіті.

Коли така частинка врізається в атмосферу Землі, вона створює каскад електронів та позитронів, який потенційно здатний ініціювати блискавку навіть у слабкому електричному полі. Фізик David Smith назвав ці дані "надзвичайно переконливими". Водночас інші дослідники закликають не поспішати з висновками, адже механізм ще недостатньо вивчений. Сам Двайер зазначив, що якщо ця теорія підтвердиться, то "кожна блискавка буде фізично пов'язана з вмираючою зорею десь у галактиці".

Чому загадка блискавок ще далека від розв'язки?

Попри десятиліття досліджень, блискавки стають лише загадковішими. Нові радіотелескопи у Нідерландах уже показали, що окремі гілки блискавок рухаються з різною швидкістю, утворюють дивні "голки" та поводяться не так, як прогнозують класичні моделі.

Фізики дедалі більше схиляються до думки, що блискавка не має одного універсального механізму виникнення. У різних грозах можуть працювати різні процеси – від крижаних кристалів до каскадів релятивістських частинок і космічних променів. І що ближче наука підходить до відповіді, то складнішою стає сама загадка.