Hervé Henry
Au début des années 2000, des scientifiques ont observé une décharge de foudre produisant des rayons X comprenant des photons de haute énergie, du même type que ceux utilisés pour l’imagerie médicale. Les chercheurs ont pu recréer ce phénomène en laboratoire, mais ils n’ont pas pu expliquer complètement remark et pourquoi la foudre produisait des rayons X. Maintenant, deux décennies furthermore tard, une équipe dirigée par Penn State a découvert un nouveau mécanisme physique expliquant les rayons X naturels associés à l’activité de la foudre dans l’atmosphère terrestre.
Ils ont publié leurs résultats le 30 mars dans Geophysical Investigation Letters.
La découverte de l’équipe pourrait également éclairer un autre phénomène : le petit choc parfois ressenti en touchant une poignée de porte en métal. Appelée décharge par étincelle, elle se produit lorsqu’une différence de tension est créée entre un corps et un conducteur. Dans une série d’expériences en laboratoire dans les années 1960, les scientifiques ont découvert que les décharges d’étincelles produisent des rayons X, tout comme la foudre. Moreover de 60 ans moreover tard, les scientifiques mènent toujours des expériences en laboratoire pour mieux comprendre le mécanisme qui sous-are likely ce processus.
La foudre est constituée en partie d’électrons relativistes, qui émettent des rafales spectaculaires de rayons X à haute énergie avec des dizaines d’énergies méga électron-volt appelées flashs de rayons gamma terrestres (TGF). Les chercheurs ont créé des simulations et des modèles pour expliquer les observations de TGF, mais il existe un décalage entre les tailles simulées et réelles, selon l’auteur principal Victor Pasko, professeur de génie électrique à Penn State. Pasko et son équipe ont modélisé mathématiquement le phénomène TGF pour mieux comprendre comment il peut se produire dans l’espace compact observé.
“Les simulations sont toutes très grandes – généralement plusieurs kilomètres de diamètre – et la communauté a du mal à concilier cela en ce minute avec les observations réelles, vehicle lorsque la foudre se propage, elle est très compacte”, a déclaré Pasko, expliquant que le canal spatial de la foudre est généralement de plusieurs centimètres. à l’échelle, avec une activité de décharge électrique produisant des rayons X se propageant autour des extrémités de ces canaux jusqu’à 100 mètres dans les cas extrêmes. “Pourquoi cette source est-elle si compacte ? C’était un casse-tête jusqu’à présent. Puisque nous travaillons avec de très petits volumes, cela peut également avoir des implications pour les expériences de laboratoire sur les décharges par étincelles en cours depuis les années 1960.”
Pasko a déclaré qu’ils avaient développé l’explication de la façon dont un champ électrique amplifie le nombre d’électrons, entraînant le phénomène. Les électrons se dispersent sur des atomes individuels, qui constituent l’air, lorsqu’ils subissent une accélération. Au fur et à mesure que les électrons se déplacent, la plupart d’entre eux avancent à mesure qu’ils gagnent de l’énergie et se multiplient, comme une avalanche de neige, ce qui leur permet de produire in addition d’électrons. Au fur et à mesure que l’avalanche d’électrons, ils produisent des rayons X, qui lancent les photons vers l’arrière et produisent de nouveaux électrons.
“À partir de là, la issue à laquelle nous voulions répondre mathématiquement était :” Quel est le champ électrique que vous devez appliquer pour simplement reproduire cela, pour lancer juste assez de rayons X vers l’arrière pour permettre l’amplification de ces électrons sélectionnés ?”, A déclaré Pasko..
La modélisation mathématique a établi un seuil pour le champ électrique, selon Pasko, ce qui a confirmé le mécanisme de rétroaction qui amplifie les avalanches d’électrons lorsque les rayons X émis par les électrons se déplacent vers l’arrière et génèrent de nouveaux électrons.
“Les résultats du modèle concordent avec les preuves observationnelles et expérimentales indiquant que les TGF proviennent de régions relativement compactes de l’espace avec une étendue spatiale de l’ordre de 10 à 100 mètres”, a déclaré Pasko.
En plus de décrire les phénomènes de haute énergie liés à la foudre, Pasko a déclaré que les travaux pourraient éventuellement aider à concevoir de nouvelles sources de rayons X. Les chercheurs ont déclaré qu’ils prévoyaient d’examiner le mécanisme en utilisant différents matériaux et gaz, ainsi que différentes purposes de leurs découvertes.
Les autres auteurs de l’article sont Reza Janalizadeh, chercheur postdoctoral au département de génie électrique de Penn State Sébastien Célestin de l’Université d’Orléans à Orléans, France Anne Bourdon, de l’Ecole Polytechnique de Palaiseau, France et Jaroslav Jansky de l’Université de la Défense de Brno, en Tchéquie.
La Nationwide Science Foundation a financé ce travail.
