Bliksem creëert nucleaire reacties en antimaterie in onze atmosfeer

Onweersbuien behoren tot de spectaculairste fenomenen in de natuur, en er komt behoorlijk wat elektriciteit bij kijken. Bijna een eeuw geleden werd er al gesuggereerd dat de sterke elektrische velden in donderwolken elektronen in de atmosfeer zouden kunnen versnellen en nucleaire reacties zouden kunnen uitlokken. Nu heeft een Japans team voor het eerst onweerlegbaar bewijs gevonden dat bliksem inderdaad nucleaire reacties, en ook de vorming van antimaterie-deeltjes kan veroorzaken.   

Het idee dat onweersbuien nucleaire reacties kunnen uitlokken, werd in 1925 voorgesteld door de Schotse natuurkundige Charles Wilson. (We spreken over een nucleaire reactie als er veranderingen in de kern van een atoom optreden.) Wilson kon zijn idee echter niet bewijzen, ook al omdat de fysica in die tijd nog niet zo ver gevorderd was. Zo is het nu geweten dat neutronen een mogelijk product zijn van nucleaire reacties, en als je die deeltjes dus aantreft in een onweersbui, kan dat bewijs leveren voor het idee van Winston. Neutronen werden echter pas ontdekt in 1932...

Onweersbuien vinden plaats in de dichte, onderste lagen van de atmosfeer. Elektronen in die lagen ondergaan herhaaldelijke botsingen met luchtmoleculen en daardoor ondervinden ze behoorlijk wat luchtweerstand. Het idee van Wilson houdt in dat de elektronen voldoende hoge aanvangsenergieën moeten hebben om die weerstand te overwinnen.

Nu is geweten dat kosmische straling de atmosfeer bestraalt en dergelijke energierijke elektronen produceert, die zich in onweerswolken vermenigvuldigen tot een stortvloed aan hoge-energie-elektronen. Maar ook hier had Wilson weer pech, want in de jaren 20 was kosmische straling nog extreem mysterieus, en werd er zelfs gedacht dat ze een aardse oorsprong had. 

(Foto: National Science Foundation)

Eerste waarnemingen

De eerste keer dat iemand beweerde dat hij neutronen had waargenomen van een onweersbui, was in 1985. Die waarnemingen werden uitgevoerd in de Himalaya, in een gebied waar onweders extreem vaak voorkomen, met zo'n 30 blikseminslagen per dag.

Sinds de late jaren 90 hebben vele andere studies ook beweerd dat ze statistisch significante waarnemingen hebben gedaan van door een onweer geproduceerde neutronen, over zowat heel de wereld. Het probleem daarmee was echter dat de detectoren die daarbij gebruikt werden, geen onderscheid konden maken tussen neutronen en andere deeltjes als elektronen en fotonen - lichtdeeltjes- uit gammastralen. Die produceerden alle drie gelijkaardige elektrische pulsen in de detectoren, en dus was het onmogelijk om met zekerheid te zeggen dat het om neutronen ging. 

Overigens werd oorspronkelijk gedacht dat de door onweersbuien opgewekte neutronen geproduceerd werden in een nucleaire reactie, waarbij twee kernen van de waterstof-isotoop deuterium fuseren om een heliumkern en een neutron te vormen, in het plasma dat door de bliksem gevormd wordt.  Later is echter aangetoond dat de fysische omstandigheden in een dergelijk plasma niet toelaten dat deze reactie zich voordoet.

Isotopen zijn atomen van een bepaald element, die dus hetzelfde aantal protonen in hun kern hebben, maar een verschillend aantal neutronen: zo heeft deuterium een proton in de kern, net als het meest voorkomend isotoop van waterstof protium, maar daarnaast ook nog een neutron. Plasma is een fase of aggregatietoestand van een gasvormige stof, waarin de deeltjes in meer of mindere mate geïoniseerd zijn, geladen deeltjes zijn geworden.

In de plaats van de fusie van deuterium-kernen te veroorzaken, stoot de vloed aan hoge-energie-elektronen die geproduceerd worden in een donderwolk, fotonen van röntgenstraling en gammastraling uit. Die lichtdeeltjes zijn sinds de late jaren 80 waargenomen vanop de grond, door vliegtuigen in onweerswolken, en door satellieten op lage hoogte. De fotonen hebben energieën tot honderden megaelektronvolt (MeV).  

Bliksem in Brussel.

Een neutron uit de kern slaan

Hoge-energie-elektronen, en gammastralen die energieën bezitten hoger dan zo'n 10 MeV, kunnen neutronen uit de kernen van atmosferische, stabiele stikstof-14- en zuurstof-16-isotopen slaan.

Dat gebeurt door elektrodesintegratie - de desintegratie van een atoomkern door een botsing met een elektron - in het geval van de elektronen, en door fotodesintegratie in het geval van de gammastralen. Fotodesintegratie is een nucleair proces waarbij een atoomkern een hoge-energiegammastraal absorbeert, in een aangeslagen of geëxciteerde staat komt, en onmiddellijk vervalt door een subatomair deeltje uit te stoten. Dat kunnen een of meer neutronen, protonen of een alfadeeltje zijn die uit de kern gestoten worden. 

Hoewel met computersimulaties aangetoond is dat onweersbuien in staat zijn neutronen te produceren door fotodesintegratie, is er in een laboratorium nog geen direct experimenteel bewijs voor geleverd.

In plaats van zich te concentreren op de neutronen, nam het Japanse team van astrofysicus Teruaki Enoto de andere producten onder ogen van de fotonucleaire reacties waarbij stikstof-14 en zuurstof-16 betrokken waren, namelijk de onstabiele, radioactieve stikstof-13- en zuurstof-15-isotopen. Die onstabiele isotopen vervallen na enkele minuten in stabiele koolstof-13- en stikstof-15-kernen door een neutrino en een positron - het antideeltje van een elektron - uit te stoten. Dat positron vernietigt dan zichzelf en zijn tegenhanger, een elektron van een atmosferische molecule, bijna onmiddellijk, en daarbij produceren ze een paar gammastralen. 

Omdat zowel positronen als elektronen een massa hebben van 0,511 MeV - uitgedrukt in energie-eenheden -, heeft elk van die bij de vernietiging geproduceerde gammastralen een energie van 0,511 MeV. En om dus het bestaan van die fotonucleaire reacties te bevestigen, moesten de onderzoekers enkel een spectraallijn identificeren op dit energieniveau in het brede energiespectrum van alle gammastralen. 

Om de gammastralen met de kenmerkende energie te vinden, verrichtte het Japanse team van Enoto waarnemingen vanop de grond van lage winterwolken boven de kust van de Japanse Zee. Onweersbuien in de winter in Japan staan bekend voor hun spectaculaire bliksems, volgens Enoto, en de lage wolken maken het redelijk makkelijk om ze te observeren.

Op 6 februari 2017 registreerden de detectoren een vreemde gebeurtenis. Een dubbele bliksemschicht net buiten de kust veroorzaakte een eerste, een milliseconde durende piek aan gammastralen, met relatief hoge energieën tot 10 megaelektronvolt. Dat werd gevolgd door een gammastraal-nagloed van minder dan een halve seconde. Die beide fenomenen waren geassocieerd met de bliksem. Maar dan was er het alles zeggende signaal: gammastralen geconcentreerd op 0,511 MeV, die ongeveer een minuut duurden. Dat is een overtuigende aanwijzing voor de vernietiging van een positron-elektron, en het is onweerlegbaar bewijs voor het feit dat fotonucleaire reacties uitgelokt kunnen worden door onweersbuien. 

Enoto vermoedt dat zijn detectoren enkel in staat waren om het signaal waar te nemen omdat de kortstondig radioactieve wolk laag hing, en zich naar de detectoren toe bewoog. Die combinatie van omstandigheden kan verklaren waarom die fotonucleaire "handtekening" nog maar zo zelden is waargenomen.  Volgens Enoto heeft zijn team nog een aantal gelijkaardige gebeurtenissen waargenomen, maar die van 6 februari is de enige duidelijke, onmiskenbare tot nu toe. 

Een onweersbui kan een  hoge-energiegammastraal produceren die een neutron uit een stikstof-14-kern slaat, wat een instabiele , radioactieve stikstof-13-isotoop creëert. Die isotoop vervalt in een neutrino, een positron en een stabiele koolstof-13-kern. Uiteindelijk vernietigt het positron zich met een elektron van een atmosferische molecule, om een paar gammastralen te creëren, die beide de kenmerkende energie van 0,511 MeV hebben. De losgeslagen neutronen worden opgenomen door andere stikstofkernen, of kunnen leiden tot de vorming van bijvoorbeeld koolstof-14.(Illustratie: Enoto et al. in Nature)

Koolstof-14

De ontdekking van Enoto en zijn team is belangrijk omdat ze een tot hiertoe onbekende natuurlijke bron van isotopen in de atmosfeer blootlegt, naast de al bekende bestraling van de aarde door kosmische straling. Tot die isotopen behoren stikstof-15-, koolstof-13 en koolstof-14, een radioactieve isotoop die twee neutronen meer heeft in de kern dan de meest voorkomende koolstofisotoop, en die gebruikt wordt om archeologische vondsten te dateren. Het is zelfs mogelijk dat onweersbuien in bepaalde gebieden even veel bijdragen aan het voorkomen van koolstof-14 op aarde als kosmische straling.

Verder onderzoek moet ook nog uitzoeken of onweders ook andere isotopen produceren, zoals isotopen van waterstof, helium en beryllium. 

Een andere gevolgtrekking die men kan maken uit de ontdekking van het Japanse team, is dat de neutronen gevormd worden buiten het plasma dat de bliksem creëert. Dat doet veronderstellen dat die neutronen geen informatie zullen kunnen geven over het plasma, in tegenstelling met wat verwacht werd. 

Enoto is in ieder geval opgetogen over zijn ontdekking. "We hebben het idee dat antimaterie iets is dat alleen in sciencefiction bestaat", zo zei hij. "Wie had gedacht dat het op een onweerachtige dag recht boven onze hoofden passeert?"

De studie van Enoto en zijn team is gepubliceerd in "Nature".

Een dubbele bliksem boven Brussel.