国際宇宙ステーションのデータが証明：雷は異常だ

雷はあまりにもありふれた現象であるため、その威力は見過ごされがちです（もちろん、自分に当たらない限りは）。しかし、過去10年間の研究によって、雷の威力が徐々に明らかになってきました。この日常的な現象は、反物質を生成し、原子を変換し、放射性雲を残すほど強力です。しかしながら、高エネルギーの現象が複数回、いかに急速に発生するかを考えると、これらすべてがどのように起こるのかを理解することは非常に困難です。

現在、研究者たちは国際宇宙ステーションに取り付けられた機器を用いて、落雷によって引き起こされる物理プロセスを追跡しています。この研究では、落雷地点から電磁パルスを介してエネルギーが電離層へとどのように拡散するかを追跡しています。

宇宙からの雷

この研究は、大気宇宙相互作用モニター（ASIM）と呼ばれるハードウェアを用いて行われています。これはESAが国際宇宙ステーションの実験モジュールに搭載した機器で、X線／ガンマ線検出器2台、紫外線検出器3台、光波長測光器2台、高速度カメラ2台を組み合わせた、非常に優れたハードウェアです。

これらの特徴は、雷の発生と伝播において多くの事象が非常に急速に進行する雷を理解するために不可欠です。雷が発生する環境には、通常、遊離電子が存在し、これらは強力な電界によって相対論的な速度まで急速に加速されます。これらの電子は減速したり、曲線を描いたりする経路を強制されたりする際に、制動放射線としてエネルギーを失います。失われるエネルギー量は非常に大きいため、その一部は光子の中で最もエネルギーの高いカテゴリーであるガンマ線の形で放出されます。

この放射線は、前述のいくつかの下流効果の原因となっています。ガンマ線が原子核に当たると、原子を構成する素粒子の一部が変化（放射性同位体に変換）されます。さらに、光子が十分に集中すると、自発的に粒子と反粒子の対を形成する可能性があり、雷の爆発後に反物質が検出されるのはそのためです。

こうした現象が起こっている間、稲妻そのものとは直接関係のない光の爆発がしばしば発生します。スプライト、ジェット、エルフなどと呼ばれるこれらの現象は不規則で、十分に理解されていませんが、稲妻が実際に発生する雲の上空で発生することは分かっています。

これら全てがどのように起こるのかを解明するには、複数の波長で、絶妙なタイミングで膨大な量の画像を撮影する必要があります。地上、雲の上、そして宇宙空間から得られる詳細な画像はすべて、特定の事象がどこで発生しているかについての視点を提供してくれるはずです。異なる波長で異なる現象が発生するため、幅広いセンサーが必要です。そして、タイミングを追跡することで、どの事象が後の現象を引き起こす可能性があるかを特定するのに役立ちます。国際宇宙ステーションに設置されたASIMは、これらの事象を低宇宙からの視点で捉えています。

インドネシアを照らす

本日Science誌に発表された論文は、2018年にインドネシアのスラウェシ島沖で発生した単一の雷をASIMが撮影した様子を解説しています。光学活動は雷の発生を予兆し、ガンマ線が検出器に記録される約200マイクロ秒前に強まり始めました。ガンマ線は主に約40マイクロ秒持続する瞬間的な閃光でしたが、エネルギーが徐々に低下するにつれて、200マイクロ秒まで伸びる「長い」放射の尾がありました。

ガンマ線バーストの発生とほぼ同時に、紫外線が到達し始めました。最初の紫外線は、雷が大気中を移動する際にイオン化した酸素によって発生しました。しかし、紫外線は「エルブ」と呼ばれる全く異なる現象へと変化しました。エルブの場合、光は雷自体が生成した電磁パルスによって発生します。この電磁パルスは電離層へと伝わります。電離層は、地球から約100km上空から始まり、国際宇宙ステーションの軌道上まで広がる、イオン化したガスのまばらな層です。パルスが電離層に到達するまでには時間がかかるため、雷の発生とエルブの出現の間には遅延が生じます。