Dansk rumprojekt kaster lys over 25-årigt mysterium
Den danske forskning har ryddet forsiden af det anerkendte amerikanske forskningstidsskrift Science.
Gammastråling tordenskyer mystierium ASIM Science

I de seneste 25 år har forskere forsøgt at løse gåden om, hvorfor mystiske udbrud af gammastråling kan opstå oven over tordenskyer. Ny dansk forskning kaster lys over fænomenet. (Illustration: Science/Birkeland Centre for Space Science)

I de seneste 25 år har forskere forsøgt at løse gåden om, hvorfor mystiske udbrud af gammastråling kan opstå oven over tordenskyer. Ny dansk forskning kaster lys over fænomenet. (Illustration: Science/Birkeland Centre for Space Science)

For snart to år siden blev det hidtil største danskledede rumprojekt skudt afsted fra Jordens overflade.

Det danske rumobservatorium, som kaldes ASIM (The Atmosphere-Space Interactions Monitor), har nu offentliggjort sine første opdagelser, og de er så væsentlige, at de har ryddet forsiden af det amerikanske tidsskrift Science - et af verdens mest prestigefyldte videnskabelige tidsskrifter.

Den danskledede forskning kaster lys over et voldsomt fænomen, som opstår i forbindelse med tordenvejr, og som giver anledning til nogle ekstremt energirige glimt oven over tordenskyerne. 

»Fænomenet blev første gang opdaget i 1994, og siden da har det været et mysterium, hvor disse energirige glimt kommer fra. Nu peger vores målinger på, at de stammer fra spidsen af lynet,« siger Torsten Neubert, som er videnskabelig leder af ASIM-projektet og er førsteforfatter på det nye studie i Science.

Ny indsigt i gådefuldt fænomen

De mystiske glimt er blandt forskere kendt som jordiske gammaglimt (Terrestrial gamma ray flash, TGF) og består af kortvarige udbrud af gammastråling - en meget energirig form for stråling.

Gammastråling

Gammastråling er grundlæggende set det samme som røntgenstråling, der bruges til at tage røntgenbilleder af dine knogler.

Gammastråling er bare mere energirigt og farligt end den røntgenstråling, som du bliver udsat for hos lægen.

Gammastråling kan ikke ses med det blotte øje, men det kan måles med forskernes instrumenter.

Hidtil har det været en gåde for videnskaben, hvordan og hvorfor de voldsomme gammaglimt opstår, når tordenguderne raser.

»Tordenstorme er forunderlige steder. Deres evne til at skabe sådanne store glimt af gammastråling er ekstraordinær,« siger den amerikanske professor Joseph R. Dwyer, som forsker i jordiske gammaglimt, men ikke er involveret i det nye studie.

»Det nye studie er meget vigtigt, og det giver os helt ny indsigt i dette underlige og gådefulde fænomen,« tilføjer han til Videnskab.dk.

Det danskledede rumobservatorium sidder uden på Den Internationale Rumstation og kan her ses yderst til højre i billedet, mens en astronaut er på mission uden for rumstationen. (Foto: NASA)


Gammaudbrud og elvere

Det danske rumobservatorium ASIM, som står bag den nye opdagelse, er placeret uden på Den Internationale Rumstation.

Fra sin position i rummet skal ASIM åbne vores blik for en række dårligt forståede fænomener, som opstår i forbindelse med tordenvejr.

Fakta: ASIM

The Atmosphere-Space Interactions Monitor (ASIM) er et firkantet observatorium, som er monteret uden på Den Internationale Rumstation. 

ASIM er det hidtil største danskledede rumprojekt under det europæiske rumagentur, ESA.

Bag ASIM står DTU Space, der har den videnskabelige ledelse og står for dele af instrumentudviklingen.

Den danske teknologivirksomhed Terma er teknisk hovedansvarlig for observatoriet, mens DMI deltager i den videnskabelige fortolkning af data.

Kilder: DTU Space / Torsten Neubert 

Ud over at kaste lys over de mystiske gammaglimts oprindelse har ASIM ligeledes gjort en opdagelse, som aldrig før er set:

Et fænomen, hvor både gamma-udbrud (TGF) og såkaldte elvere bliver produceret i forbindelse med det samme lynnedslag.

Elvere er meget kortvarige, lysende ringe, der kan minde om nordlys, og som opstår helt oppe omkring 100 kilometer over Jorden (Læs mere her). 

»Vi kendte både elvere og TGFer i forvejen, men det er første gang, at de to fænomener er observeret samtidigt. Det viser, at der foregår et voldsomt festfyrværkeri oven over tordenvejret, som vi ikke kan se fra Jorden. Det er ligesom en nytårsaften, hvor raketterne fiser rundt og blinker,« siger Torsten Neubert, som er chefkonsulent ved Institut for Rumforskning og Rumteknologi på Danmarks Tekniske Universitet.

Det er netop en kunstners fortolkning af et tordenvejr med både en elver og et udbrud af TGF-gammastråling, som er afbilledet på forsiden af denne uges udgave af tidsskriftet Science. Du kan også se en animation af det vilde festfyrværkeri i videoen herunder.

Videoen viser en animation af den nye opdagelse set fra rummet: Der opstår både gammaglimt (TGF) og elvere over tordenskyen. Gammaglimt er afbildet som lyserøde prikker, mens elvere er hvidlige ringe, som breder sig. Videoen foregår i slowmotion.  (Video: Birkeland Centre for Space Science and Mount Visual)

ASIM er ideel til at se TGF

Spørger man den amerikanske forsker Joseph Dwyer er det langt fra tilfældigt, at det netop er det danske rumobservatorium, som i øjeblikket tager store skridt i udforskningen af de voldsomme tordenvejrs-fænomener.  

»ASIM er det første store ruminstrument, som er specielt designet til at studere jordiske gammaglimt (TGF).«

»Alle tidligere observationer er blevet lavet af instrumenter, som var designet til at måle andre ting, så de har ikke været ideelle til at studere TGF,« siger Joseph R. Dwyer, som er professor ved rumforskningscentret ved det amerikanske University of New Hampshire.

Siden ASIM blev opsendt, er der registreret cirka 464 tilfælde af TGF-udbrud, og mindst 54 af dem har været voldsomme nok til, at forskerne har været i stand til at generere billeder af dem.

Gammaglimt

Gammaglimt (Gamma-Ray Bursts, GRB) er korte glimt af gammastråling, som kommer fra rummet.

Denne stråling kan opstå, når stjerner eksploderer, eller når stjerner støder sammen.

Jordiske gammaglimt (Terretrial Gamma Flash, TGF) opstår derimod i Jordens egen atmosfære.

Det nye studie tyder på, at TGF opstår i spidsen af lyn.

Hverken TGF- eller GRB-gammastråling kommer ned til jordoverfladen, da strålingen bliver absorberet i atmosfæren.

Kilder: NBI, Torsten Neubert

En kortvarig fornøjelse

Et TGF-udbrud varer kun ekstremt kort tid – flere hundrede gange kortere tid end et sekund. Alligevel er det så voldsomt, at der opstår energier på omkring til 20 millioner elektronvolt.

»Det er en voldsom høj energi. Hvis du går til tandlægen og får taget et røntgenbillede er energien fra røntgenstrålingen måske 1.000 gange svagere end det, vi ser, ved TGF-gammaglimt,« siger Torsten Neubert.

Et centralt spørgsmål i de sidste 25 års TGF-forskning har været, hvordan det overhovedet kan lade sig gøre, at der opstår så voldsomme energiudladninger i vores atmosfære.

Forskerne kan observere og måle den voldsomme gammastråling, men de ved simpelthen ikke, hvor den kommer fra.

To teorier om TGF

Generelt bliver gammastråling skabt, når elektroner mister energi. 'Noget' må altså først gøre elektronerne i vores atmosfære meget energirige – og derefter må elektronerne slippe af med denne energi ved at udsende gammastråling.

»Hvordan pokker kan elektronerne i vores atmosfære få så høje energier, at de udsender gammastråling? Det har der været stor usikkerhed om i forskningsverdenen, og der har primært været to konkurrerende teorier om det,« forklarer Torsten Neubert. 

De to primære teorier om, hvordan TGF-udbrud opstår lyder som følger:

  • Den ene teori siger, at det elektriske felt i spidsen af et lyn kan accelerere elektroner op til meget høje energier - og demed opstår TGF-gammastrålingen.
    Et lyn bevæger sig som bekendt fremad med mindre skridt - det ser vi som at lynet zig-zagger (hvert “ben” i lynets zig-zag er et nyt skridt fremad). Det nye studie peger på, at der imellem hvert af lynets skridt bliver opbygget et meget højt elektrisk felt i spidsen af lynet. »Elektronerne bliver accelereret til meget høje energier lige netop i det splitsekund, hvor lynet er parat til at tage endnu et skridt fremad og dermed udsendes der gammastråling,« forklarer Torsten Neubert.

  • Den anden teori lyder, at TGF-udbruddene er relateret til det såkaldte antistof - en særlig form for stof, som er en slags ‘modsat tvilling’ til alt det stof, vi omgiver os med på Jorden (Læs mere om antistof her). For eksempel har en elektron - en negativt ladet partikel - en tvillingepartikel, der er positivt ladet; positronen. Hvis en elektron og en positron mødes, vil de spontant forsvinde og blive til energi. Ifølge denne teori bliver TGF-udbrud skabt, fordi tordenvejret giver anledning til en slags kæmpemæssig reaktor, hvor elektroner og positroner fiser frem og tilbage, forklarer Torsten Neubert. »Ifølge teorien kører elektroner og positroner i en slags loop, og de bliver accelereret op til høje energier over flere kilometers afstand. Når de bremses af atmosfæren udsender de en voldsom energi i form af gammastråling,« siger han.

Kan vi lægge antistof-teorien i graven?

Det nye studie i Science giver ifølge Torsten Neubert »en overbevisende støtte« til den første teori om, at TGF-gammastråling opstår i spidsen af lynet - og dermed mener han »nærmest godt, at man kan lægge teorien med antistof i graven.« 

Den danskledede forskning fra ASIM er på forsiden af det seneste nummer af det amerikanske, videnskabelige tidsskrift Science. (Illustration: Science)

»Det er to meget forskellige teorier. I den ene teori bliver elektroner og positroner accelereret over flere kilometers afstand, så der er tale om en kæmpemæssig reaktor. I den anden teori foregår det i spidsen af lynet, så her taler vi om noget, der foregår inden for 10 meter eller måske max 100 meter,« siger Torsten Neubert.

Den amerikanske professor Joseph R. Dwyer har været en af de primære hjerner bag - og fortalere for - antistof-teorien om TGF-gammaudbrud. Modsat Torsten Neubert er han imidlertid ikke helt enig i, at man på baggrund af de nye resultater kan lægge antistof-teorien i graven.

»Begge teorier forudsiger, at TGF bliver udløst, mens lynet bevæger sig op gennem tordenvejret. Det gør det svært at regne ud, hvilken teori der er rigtig - om nogen overhovedet,« siger Joseph R. Dwyer til Videnskab.dk.

Rejser nye spørgsmål

Selvom det nye studie antyder, at TGF opstår i spidsen af lynet, medgiver Torsten Neubert da også at gåden om de mystiske gammaudbrud endnu ikke er løst.

»Vi er kommet et vigtigt skridt tættere på at løse gåden, men det rejser også en masse spændende nye spørgsmål. Heldigvis, havde jeg nær sagt, for ellers var vi brødløse,« siger Torsten Neubert.

Ud over studiet i Science har ASIM-forskerne ligeledes udgivet to andre nye studier, som er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Journal of Geophysical Research.

Illustrationen viser, hvordan TGF-gammaudbrud og elvere kan udvikles og registreres med ASIM: Et lyn (IC) genererer en TGF og en elektromagnetisk puls (EMP). EMP'en påvirker UV-stråling i ionospheren og så opstår Elveren. Både TGF og eleveren observeres af ASIM, som sidder på rumstationen. Den grå flade nederst angiver Jorden. (Kilde: Science/DTU Space)

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.