I västra Utah -öknen, Telescope Array sprider sig över ett område i storleken på New York City, väntar på kosmiska strålar. Anläggningen upptäcker de högenergipartiklar som konstant kolliderar med jordens atmosfär; de kosmiska strålarna utlöser 500-plus-sensorerna varannan minut.

Medan jag hällde över data 2013, Teleskop Array fysiker upptäckte en konstig partikelsignatur; fotonekvivalenten till ett lätt duggregn som punkteras av en brandslang. Arrayen hade oväntat registrerat ett extremt sällsynt fenomen - gammastrålning, ljusvågor med hög energi på det elektromagnetiska spektrumet, produceras av blixtnedslag som strålar strålningen nedåt mot jordens yta. Fem år senare, ett internationellt team som leds av Cosmic Ray Group vid University of Utah har observerat de så kallade nedåtriktade gammastrålblixten (TGF) mer detaljerat än någonsin tidigare.

Telescope Array upptäckte 10 utbrott av nedåtgående TGF mellan 2014 och 2016, fler händelser än vad som har observerats i resten av världen tillsammans. Telescope Array Lightning Project är det första som upptäcker nedåtgående TGF i början av moln till mark blixtnedslag, och för att visa var de härstammar från åskväder. Telescope Array är överlägset den enda anläggningen som kan dokumentera hela TGF:s "fotavtryck" på marken, och visa att gammastrålarna täcker ett område 3 till 5 km i diameter.

"Det som är riktigt coolt är att Telescope Array inte var utformat för att upptäcka dessa, "sa huvudförfattaren Rasha Abbasi, forskare vid High Energy Astrophysics Institute och Institutionen för fysik och astronomi vid U. "Vi är 100 gånger större än andra experiment, och vår detektors svarstid är mycket snabbare. Alla dessa faktorer ger oss den förmåga som vi inte var medvetna om - vi kan se på blixtarna på ett sätt som ingen annan kan. "

Studien publicerades online den 17 maj i Journal of Geophysical Research:Atmospheres .

Ett oavsiktligt perfekt laboratorium

Arbetet bygger på en studie publicerad av gruppen förra året som fastställde en stark korrelation mellan liknande utbrott av energiska partikelduschar som upptäcktes mellan 2008 och 2013, och blixtaktivitet registrerad av National Lightning Detection Network. Fysikerna var bedövade.

"Det var BOOM BOOM BOOM BOOM. Som, fyra eller fem utlösare av detektorerna som förekommer inom en millisekund. Mycket snabbare än vad som kunde förväntas av kosmiska strålar, "sa John Belz, professor i fysik vid U och huvudutredare för National Science Foundation-finansierade Telescope Array Lightning Project. "Vi insåg så småningom att alla dessa konstiga händelser inträffade när vädret var dåligt. Så, vi tittade på National Lightning Detection Network och lågt och se, det skulle bli en blixtnedslag, och inom en millisekund skulle vi få ett utbrott av triggers. "

Forskarna tog in blixtexperter från Langmuir Laboratory for Atmospheric Research vid New Mexico Tech för att hjälpa till att studera blixtarna mer i detalj. De installerade en Lightning Mapping Array med nio stationer som utvecklats av gruppen, som producerar 3D-bilder av radiofrekvent strålning som blixtar avger inuti en storm. Under 2014, de installerade ett extra instrument i mitten av matrisen, kallas en "långsam antenn", som registrerar förändringar i stormens elektriska laddning orsakad av blixturladdningen.

"Tagen tillsammans, Telescope Array -detektioner och blixtobservationer utgör ett stort framsteg i vår förståelse av TGF. Innan detta, TGF upptäcktes främst av satelliter, med lite eller ingen markbaserad data för att indikera hur de produceras ", sa Paul Krehbiel, mångårig blixtforskare vid New Mexico Institute of Mining and Technology och medförfattare till studien. "Förutom att ge mycket bättre areal täckning för att upptäcka gammastrålar, arraymätningarna är mycket närmare TGF -källan och visar att gammastrålarna produceras i korta skurar, var och en varar bara tio till några tiotals mikrosekunder. "

Ett extremt sällsynt fenomen

Tills en FERMI -satellit registrerade den första TGF 1994, fysiker trodde bara våldsamma himmelska händelser, som exploderande stjärnor, kan producera gammastrålning. Gradvis, forskare bestämde att strålarna producerades under de första millisekunderna av uppåtgående intracloud -blixtnedslag, som strålade ut strålarna i rymden. Sedan vi upptäckte dessa uppåtgående TGF, fysiker har undrat om moln till mark blixtnedslag kan producera liknande TGF som strålar nedåt till jordens yta.

Tidigare, bara sex nedåtgående TGF har någonsin registrerats, varav två kom från artificiellt inducerade blixtförsök. De återstående fyra studierna med naturliga blixtnedslag rapporterar TGF som kommer mycket senare, efter att blixtnedslaget redan hade slagit i marken. Arrayens observationer är de första som visar att nedåtgående TGF uppstår i det första nedbrytningssteget av blixtnedslag, liknande satellitobservationerna.

"De nedåtgående TGF:erna kommer från en liknande källa som de uppåtgående. Vi antar säkert att vi har liknande fysik på gång. Det vi ser på marken kan hjälpa till att förklara vad de ser i satelliterna, och vi kan kombinera dessa bilder för att förstå mekanismen för hur det händer, sa Abbasi.

"Mekanismen som producerar gammastrålar har ännu inte kommit fram, "tillade Krehbiel.

Vad kommer härnäst

Forskarna har många frågor kvar obesvarade. Till exempel, inte alla blixtnedslag skapar blixtarna. Är det för att endast en särskild typ av blixt initiering producerar dem? Ser forskarna bara en delmängd av TGF som råkar vara tillräckligt stora, eller peka åt rätt håll, att upptäckas?

Teamet hoppas kunna ta med ytterligare sensorer till Telescope Array för att förbättra blixtmätningarna. Särskilt, installera en radiostatisk detekterande "snabb antenn" skulle göra det möjligt för fysikerna att se understrukturen i det elektriska fältet förändras i början av blixten.

"Genom att ta med andra typer av blixtdetektorer och utöka ansträngningen, Jag tror att vi kan bli en betydande aktör inom detta forskningsområde, sa Belz.