大学公园，宾夕法尼亚州在21世纪初，科学家观察到闪电放电产生了包含高能光子的x射线，与医学成像使用的是同一类型。

研究人员可以在实验室重现这种现象，但他们无法完全解释闪电产生x射线的方式和原因。 现在，二十年后，宾夕法尼亚州立大学领导的团队发现了一种新的物理机制，解释了与地球大气中闪电活动有关的自然发生的x射线。

他们今天(3月30日)在《地球物理研究快报》上发表了他们的研究结果。

该团队的发现还揭示了另一种现象:触摸金属门把手时有时会感到轻微的震动。 当物体和导体之间产生电压差时，就会发生火花放电。 在20世纪60年代的一系列实验室实验中，科学家们发现火花放电产生x射线——就像闪电一样。 60多年后，科学家们仍在进行实验室实验，以更好地理解这一过程的机制。

闪电由部分相对论电子组成，它发射出壮观的高能x射线爆发，具有数十兆电子伏的能量，称为地球伽马射线闪光(TGFs)。 宾夕法尼亚州立大学电气工程教授、首席作者Victor Pasko表示，研究人员已经创建了模拟和模型来解释TGF的观测结果，但模拟尺寸和实际尺寸之间存在不匹配。 Pasko和他的团队对TGF现象进行了数学建模，以更好地理解它是如何在观察到的紧致空间中发生的。

帕斯科说:“模拟都非常大——通常是几公里宽——社区现在很难将其与实际观测相协调，因为当闪电传播时，它是非常紧凑的。” 他解释说，闪电的空间通道通常是几厘米大小，放电活动产生的x射线在这些通道尖端扩展到100米。 “为什么这个来源如此紧凑?” 这一直是个谜。 由于我们研究的体积非常小，这也可能对20世纪60年代以来进行的火花放电实验室实验产生影响。 ”

帕斯科说，他们提出了电场如何放大电子数量、驱动这一现象的解释。 当电子经历加速度时，它们分散在构成空气的单个原子上。 随着电子的移动，它们中的大多数在获得能量和繁殖时向前移动，类似于雪崩，使它们能够产生更多的电子。 当电子雪崩时，它们产生x射线，x射线将光子发射回去并产生新的电子。

“从那里，我们想要从数学上回答的问题是，‘为了复制这一点，你需要施加多大的电场，才能反向发射足够多的x射线来放大这些选定的电子?’” 帕斯科说。

根据Pasko的说法，数学模型为电场建立了一个阈值，这证实了当电子发射的x射线向后移动并产生新电子时放大电子雪崩的反馈机制。

一个穿着栗色衬衫和棕色运动夹克的人，一个穿着蓝色拉链衬衫和眼镜的人在摆姿势拍肖像照。

电气工程博士后学者Reza Janalizadeh(左)和电气工程教授Victor Pasko是两位研究人员，他们对地球伽马射线闪光现象进行了数学建模，以更好地理解它是如何在观测到的紧凑空间中发生的。 图源:Jeff Xu/宾夕法尼亚州立大学版权所有。

扩大

“模型结果与观测和实验证据一致，表明TGFs起源于相对紧凑的空间区域，空间范围为10到100米，”Pasko说。

帕斯科说，除了描述与闪电有关的高能现象外，这项工作最终可能有助于设计新的x射线源。 研究人员表示，他们计划使用不同的材料和气体，以及他们的发现的不同应用，来检验这一机制。

该论文的其他作者是宾夕法尼亚州立大学电气工程系的博士后学者Reza Janalizadeh; 法国奥尔良大学的Sebastien Celestin; 法国帕莱索综合理工学院的安妮·波登; 以及捷克布尔诺国防大学的雅罗斯拉夫·扬斯基。

国家科学基金会资助了这项工作。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。