地上ガンマ線フラッシュ

地上ガンマ線フラッシュ（TGF ）は、ダークライトニングとも呼ばれ、地球の大気中で発生するガンマ線のバーストです。TGFは0.2～3.5ミリ秒持続し、最大2000万電子ボルトのエネルギーを持つことが記録されています。TGFは、雷雨の上空または内部で発生する強い電場によって引き起こされると推測されています。科学者たちは、地上ガンマ線フラッシュによって生成された高エネルギーの陽電子と電子も検出しています。 ^{[ 1 ] [ 2 ]}

地上のガンマ線バーストは、NASAの宇宙船であるコンプトンガンマ線観測衛星に搭載されたBATSE（Burst and Transient Source Experiment）によって1994年に初めて発見されました。 ^{[ 3 ]} 1996年にスタンフォード大学 で行われたその後の研究では、TGFと、TGFの数ミリ秒以内に発生した個々の落雷との関連性が示されました。BATSEは、宇宙からのガンマ線バーストを研究するために構築されたため、9年間で少数のTGFイベント（76件）しか検出できませんでした。宇宙からのガンマ線バーストは、はるかに長く続きます。

2000年代初頭、ラマティ高エネルギー太陽分光撮像装置（RHESSI）衛星は、BATSEで記録されたものよりもはるかに高いエネルギーのTGFを観測した。^{[ 4 ]} RHESSIのデータにより、科学者たちは1日に約50個のTGFが発生すると推定した。^{[ 5 ]}これは以前考えられていたよりも多いが、地球上の雷の総数（平均で1日あたり300万～400万回の雷イベント）のごく一部に過ぎない。数年後、ガンマ線を監視するために設計されたNASAのフェルミガンマ線宇宙望遠鏡を使用した科学者たちは、世界中で1日に約500個のTGFが発生するが、そのほとんどは検出されないと推定した。^{[ 6 ]}

メカニズムの詳細は不明ですが、物理的要件についてはコンセンサスが形成されつつあります。TGF 光子は、光速に非常に近い速度で移動する電子が空気中の原子核と衝突し、ガンマ線 (制動放射^{[ 7 ]} ) の形でエネルギーを放出することによって放出されると考えられています。高エネルギー電子の大規模な集団は、電場によって駆動される雪崩成長によって形成される可能性があり、これは相対論的暴走電子雪崩(RREA)と呼ばれる現象です。 ^{[ 8 ] [ 9 ]}電場は雷によって提供される可能性が高く、ほとんどの TGF は雷の発生から数ミリ秒以内に発生することが示されています (Inan et al. 1996)。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} この基本的な図以外には、詳細は不明です。最近の研究によると、電子-電子（制動放射）^{[ 13 ]}はまず高エネルギー電子の増加をもたらし、その後高エネルギー光子の数を増加させることが示されている。

標準的な理論的枠組みの一部は、スプライト、ブルージェット、エルフなど、雷に関連する他の放電現象から借用されており、これらは最初のTGF観測の直前に発見されたものである。例えば、その電場は、スプライトによく見られる雷雲内の電荷の分離（「DC」電場）によるもの、あるいはエルフによく見られる雷放電によって発生する電磁パルス（EMP）によるものと考えられる。また、雷の発生がないにもかかわらず、一般的な雷活動の近傍で特定のTGFが発生するという証拠もあり、これはブルージェットとの比較を想起させる。

DCフィールドモデルでは、高高度（例えば スプライトが発生する高度50～90km）で十分な電場を生成するために、非常に大きな雷雲電荷が必要となります。スプライトの場合とは異なり、これらの大きな電荷はTGFを生成する雷とは関連がないようです。^{[ 10 ]} したがって、DCフィールドモデルでは、TGFはより低い高度、つまり雷雲の上部（10～ 20km）で発生し、そこで局所的な電場がより強くなることが必要となります。この仮説は、2つの独立した観測によって裏付けられています。まず、RHESSIで観測されたガンマ線のスペクトルは、15～20kmでの相対論的暴走の予測と非常によく一致しています 。^{[ 14 ]}次に、TGFは雷と比較して地球の赤道付近に強く集中しています。^{[ 15 ]} (雷全般と比較して、水面上に集中している可能性もある。) 赤道付近では雷雲の頂上が高くなるため、そこで発生する TGF からのガンマ線は、大気圏から脱出する可能性が高くなる。つまり、特に高緯度地域では、宇宙から観測されない低高度の TGF が多数存在することになる。

代替仮説であるEMPモデル^{[ 16 ]}は、雷雲の電荷に関する要件を緩和するが、代わりに非常に高速で移動する大きな電流パルスを要求する。必要な電流パルス速度は非常に制限的であり、このモデルを直接的に裏付ける観測データはまだない。

別の仮説的なメカニズムは、TGFが雷雲自体の中で、雷チャネル付近の強い電場、または雲の広範囲に存在する静電場のいずれかで生成されるというものです。これらのメカニズムは、プロセスを開始するために雷チャネルの極端な活動に依存しています（Carlson et al. 2010）、または小規模なランダムイベントでも生成をトリガーできるようにするための強いフィードバックに依存しています。^{[ 17 ]}雷の光信号と地上のガンマ線フラッシュの信号を同時に測定することに特化した大気宇宙相互作用モニター（ASIM）は、TGFが通常光フラッシュと関連していることを明らかにし、TGFの前駆者である相対論的電子が雷チャネル付近の強い電場で生成されることを強く示唆しています。^{[ 18 ] [ 19 ]}

TGFは、 2022年のフンガ・トンガ・フンガ・ハアパイ噴火のような火山噴火の巨大な噴煙柱の中で発生する可能性がある。^{[ 20 ]}

TGFは、大気圏を脱出し、地球の磁場に沿って伝播し、反対側の半球に降下する、非常に相対論的な電子と陽電子のビームも放出する必要があると示唆されている。^{[ 21 ] [ 22 ]} RHESSI、BATSE、およびFermi-GBMのTGFのいくつかの事例では、そのような電子/陽電子ビームによって説明できる異常なパターンが示されたが、そのようなイベントは非常にまれである。

計算によると、TGF は陽電子だけでなく中性子や陽子も放出する可能性があることがわかっています。^{[ 23 ] [ 24 ]}中性子はすでに電気放電で測定されていますが、^{[ 25 ]}放電に関連する陽子の実験的確認はありません (2016)。最近の研究では、これらの中性子のフルエンスは検出高度に応じてms あたり10 ⁻⁹～ 10 ^{−13個/m 2}個であることが示されています。これらのほとんどの中性子のエネルギーは、初期エネルギーが 20 MeV であっても、1 ms 以内に keV 範囲まで減少します。^{[ 24 ]}

地上のガンマ線フラッシュは、雷に関する現在の理論に課題を突きつけており、特に雷で生成される反物質の明確な痕跡が発見されたことで、その課題はより深刻化している。 ^{[ 26 ]}

過去 15 年間で、雷のプロセスには、大気圏を脱出し、軌道上の宇宙船によって観測されるガンマ線を生成するメカニズムがあることが発見されました。NASA のジェラルド・フィッシュマンが 1994 年に Science 誌の記事で明らかにしたこれらのいわゆる地球ガンマ線^{フラッシュ(TGF)は、コンプトン ガンマ線観測所(} CGRO) で観測された地球外ガンマ線バーストの事例を記録しているときに偶然観測されました。TGF は、持続時間がはるかに短く、約 1 ms しか続きません。

スタンフォード大学のウムラン・イナン教授は、TGFをTGFイベントから1.5ミリ秒以内に発生した個々の落雷と関連付け、 ^{[ 27 ]} TGFが大気起源であり落雷と関連していることを初めて証明しました。 

CGROは10年間で約77件のイベントしか記録していませんでしたが、カリフォルニア大学サンタクルーズ校のデビッド・スミス氏の報告によると、最近ではルーベン・ラマティ高エネルギー太陽分光撮像装置（RHESSI）衛星が、はるかに高い頻度でTGFを観測しており、これらは地球全体で1日に約50回発生していることが示されています（それでも地球上の雷の総数から見ればごくわずかな割合です）。記録されたエネルギーレベルは20 MeVを超えています。

デューク大学の研究者たちは、RHESSIによるTGF（地上ガンマ線放出）の新たな観測結果を踏まえ、特定の雷現象と地球の大気から放出される謎のガンマ線放射との関連性についても研究を進めている。彼らの研究によると、このガンマ線放射は、雷雲内の驚くほど低い高度にある発生源から上向きに噴出しているという。

デューク大学プラット工学部のスティーブン・カマー氏は、「これらは太陽から来るものよりも高エネルギーのガンマ線です。それなのに、これらは私たちがここでいつも見ているような地上の雷雨から来ているのです」と述べた。^{[ 28 ]}

初期の仮説では、雷が高電界を発生させ、雲のはるか上空で相対論的な暴走電子雪崩を引き起こし、薄い大気によってガンマ線が宇宙空間へ容易に逃げ出すと考えられていました。これはスプライトの発生方法と似ています。しかし、その後の証拠は、TGFは高層雷雲内またはそのすぐ上で相対論的な電子雪崩を引き起こすことによって発生する可能性があることを示唆しています。これらの理論は、逃げ出すガンマ線が大気によって吸収されるという制約はあるものの、TGF発生の高高度理論が依拠する極めて強い雷を必要としません。

TGFの役割と雷との関係は、現在も科学的な研究対象となっている。

2009年、地球軌道上のフェルミガンマ線宇宙望遠鏡は、嵐の形成から放出される陽電子消滅に対応するガンマ線の激しいバーストを観測した。科学者たちは、激しいガンマ線バーストに少数の陽電子が伴うことは予想していたが、フェルミが検出した雷放電は約100兆個の陽電子を生成したようだった。これは2011年1月に報道機関によって報じられ、それまで観測されたことはなかった。^{[ 29 ] [ 30 ]}

TGFの研究を目的とした実験装置である大気宇宙相互作用モニター（ ASIM）は、2018年4月2日に国際宇宙ステーションに打ち上げられ、 2018年4月13日にコロンバス外部ペイロード施設に搭載された。 ^{[ 31 ]}

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