日本的研究人員正在招募公民，一起探索地球上的風暴如何產生了極端伽馬輻射暴。

日本金澤市泉丘高中的樓頂上，研究人員榎戶輝揚（Teruaki Enoto）與和田有希（Yuuki Wada）迎著狂風，艱難地試著把一個四四方方的儀器固定在樓頂上。旁邊的一個風向標不祥地搖擺，遠處山頂濃云匯集，一切跡象都表明日本海方向正有風暴在醞釀。這正是和田和榎戶想要的天氣。他們安裝的設備將監測雷暴產生的伽馬輻射——物理學家們一直渴望了解這一神秘過程。

作為宇宙中最高能的電磁輻射，伽馬射線通常來自遙遠的黑洞、超新星和其他極端的宇宙環境。它們通常是由以接近光速運行的大量電子產生的。但在20世紀80年代和90年代，物理學家發現地球上空的云層也會發出看不見的伽馬射線：短而強烈的毫秒爆發和長而微弱的輝光。有些風暴不知怎的將數十億個電子加速至接近光速，產生了這些伽馬射線。“謎題在于這如何發生在地球大氣層中。” 和田說，他是日本理化學研究所（RIKEN）榎戶極限自然現象理研白眉研究團隊（Extreme Natural Phenomena RIKEN Hakubi Research Team）的物理學家。（譯注：“白眉”項目為京都大學培養和支持年輕研究者的項目。）

為了這個謎題，他在風暴漸增之時走上了樓頂。物理學家不僅希望了解這個高能過程，還希望利用這類輻射，從新視角研究雷暴的一些基本問題；甚至有人希望能利用伽馬射線幫助大氣科學家揭示幾個世紀以來懸而未決的問題：是什么引發了閃電。

但是要捕捉這些強烈的射線并不容易。盡管衛星已經發現了成千上萬的毫秒級地球伽馬射線閃（TGFs），但這些測量的視角不夠近，不足以詳細揭示其產生機制。過去要研究地球上的TGF是有難度的，科學家只在少數幾個地方觀察到持續時間較長的輝光。
金澤是捕捉輝光和射線閃的最佳地點之一。該市位于日本本州島中部的西北側，冬季經常可以看到猛烈的雷云從西伯利亞滾滾而來，在離地面不到1公里的地方盤旋。由于云層如此之低，風暴發出的輻射可以到達地面，而不是被大氣吸收。

美國新罕布什爾大學的大氣物理學家Joseph Dwyer說，天體物理學家榎戶領導的理研白眉實驗室團隊在理解這些高能現象方面正在快速取得進展。“他們是這個領域內世界一流的研究人員。”他說。

全球各地，若干地面小組正在研究來自風暴的伽馬射線，包括來自大型設施的小組，這些設施旨在觀測來自外層空間的高能粒子。但是，通過使用探測器網絡，日本的這支小型團隊已經成為世界上發現這種現象最成功的團隊之一——在略顯微薄的預算下，自2015以來已探測到了10次TGF和幾十次輝光[1]。

和田和榎戶為他們倡議的雷云項目（Thundercloud Project）制定了大計劃。現在，在日本市民們的幫助下，他們正在擴大工作范圍。今年，該團隊將在校舍、寺廟和家庭住房里，建立由大約50個探測器組成的網絡，以便他們能夠捕捉到更多伽馬射線，繪制事件地圖，并在整個生命周期中跟蹤這些事件——這是前所未有的嘗試。該倡議成員、科維里宇宙物理與數學研究所的科學傳播研究員一方井祐子（Yuko Ikkatai）說，該項目是日本物理學領域通過公民科學獲取研究成果的首批嘗試。

研究人員最終希望在全市放置數百個小型探測器。榎戶說，將工作集中在金澤是一場賭博，但已經開始有回報了。他說：“我現在可高興了。”

隱秘的閃光

1985年，美國宇航局一架載有輻射探測器的噴氣式飛機穿越一場雷暴，讓科學家們第一次看到了來自地球的伽馬射線輝光。在電閃之前，飛機檢測到從云層中發出的微弱輻射。之后在1994年，一個旨在研究宇宙的探測器——美國宇航局康普頓伽馬射線天文臺（Compton Gamma Ray Observatory）探測到了來自雷云的TGF：僅持續幾百微秒、更亮的伽馬射線暴。Dwyer說這很出乎意料，因為它源于“人人都知道宇宙中不會出現伽馬射線的地方”：地球。

在宇宙的其他地方，在黑洞周圍等高能環境中，帶電粒子束被加速到接近光速，當粒子與氣體和塵埃碰撞時產生伽馬射線。在地球上，研究人員現在認為在某些類型的雷云中也會發生類似的情況，在雷云中，強電場將電子加速到極端快速。但是物理學家們不知道需要多大或多強的電場才能產生伽馬射線，也不知道如何解釋風暴制造TGF所需的大量電子。“目前這是一個深層的問題。”榎戶說。
通常檢測朝向太空TGF的衛星觀察顯示，這些射線閃伴隨雷擊出現。大約每 1000 次雷擊中就有1次會產生TGF，這意味著每天地球上都會發生數千次伽馬射線閃。但衛星離這類事件太遠，無法提供太多細節。處在風暴上方數百公里的有利位置，快速移動的衛星可能只捕獲到每次暴發的少數光子，也無法確定位置。衛星也無法發現較弱的伽馬射線輝光。

飛機和氣球也不是研究閃光的理想平臺，因為它們會干擾自然現象，而且可能對研究人員有危險。地面上的探測器能比衛星提供更近距離的視野，但很少能足夠接近風暴云，而伽馬射線在擊中地面之前就會被吸收。

Dwyer說：“我們很需要對這些東西進行近距離、詳細的測量。”

公民科學

榎戶和他的團隊能接近金澤的風暴。2019年末，在新冠病毒大流行導致國際旅行中斷之前，他們正在為冬季觀測做準備，重新安裝當季第一個探測器。在去學校的出租車上，榎戶注意到鮮紅的秋葉吸引著游客來到金澤著名的公共花園。他說這座城市“美麗而古老，還有美味佳肴”。不過在研究者看來，這里頻繁發生的閃電和低空雷暴才是它的最佳美景。“這里的雷暴與眾不同”，他說。

雷云項目始于2015年，當時榎戶從待了五年的美國回來，重燃十年前對這個課題的熱情。2006年，還是一名博士生的榎戶和RIKEN的物理學家土屋晴文（Harufumi Tsuchiya）安裝了探測器，用以探測日本海沿岸離金澤不遠的核電站周圍伽馬射線監測站檢測到的奇怪的噪音樣信號。探測器證實，這種尖峰信號來自頭頂上的冬季雷云[2]。

2015年回日本時，榎戶的主要研究領域是X射線的宇宙來源。但他從未忘記離家更近的那些引人深思的輻射。與土屋重聚后，他開始建立一支探測器隊列，在石川縣金澤市和東北部新潟縣的廣大地區探索這些伽馬射線信號。他們的計劃的關鍵是制造便宜的桌面式伽馬射線探測器，以安裝在數十個地點。后來和田加入了這個團隊，并領導了這款緊湊型設備的設計，該設備使用一臺價值 60 美元的迷你樹莓派（Raspberry Pi）電腦，加之鍺酸鉍晶體——這種材料在被伽馬射線光子擊中時會亮起。他們的實驗利用了大氣科學家很少使用的高能物理工具。“這是不同世界的融合”，和田說。
起初，該項目很難獲得政府的研究資助，部分原因是它介于粒子物理學和大氣科學之間。但是，150名支持者通過日本的研究眾籌平臺Academist捐贈了160萬日元（合1.5萬美元），該團隊得以制造出第一代探測器。

在第一次行動中，研究人員在金澤及其周邊城市安裝了16個探測器，并在2017年取得了重大發現。他們觀測到一系列能說明問題的伽馬射線信號，只能是由雷暴中的核反應引起。他們里程碑式的發現證明了伽馬射線可以將中子從空氣中的原子中敲出，使其具有放射性[3]。這一發現證明了存在一個假設過程，該過程產生大氣中的一些放射性碳-14，即研究人員在對古代材料進行碳年代測定時使用的碳同位素（參見：科學家最新發現閃電時會產生放射性同位素）。

現在，該團隊正在進一步拓展，以發現更多的伽馬射線事件，更好地了解是什么原因導致它們產生（見“伽馬射線工廠”）。金澤是一個理想的位置，因為它有一片廣闊的內陸平原，可以容納探測器陣列，使研究人員能夠跟蹤來自移動的云的信號。榎戶與一家私人公司合作，設計了一種更小、更便宜的探測器，他的團隊計劃將其分發給全市的公民科學家來安裝和操作。
社交網絡

每一個黃色盒子都通過GPS定位器加以標記，被稱為緊湊型伽馬射線監測器（Compact Gamma-ray Monitor）或CoGaMo——這是金澤當地一種小型鴨的日語名字。除了現有的探測器網絡外，該團隊現在還把10個CoGaMo安置在人們的花園和家中。負責協調該項目公民科學部分的一方井說，大多數參與者彼此都是朋友，消息通過一個熱心的高中教師人際圈傳開了。

今年晚些時候，在招募到更多的公民科學參與者之后，研究小組希望運行50個探測器，明年能有100個。探測器陣列將覆蓋金澤地區，每個相隔約1公里。榎戶說，雖然整個公民科學項目尚未推出，但它已經“比我最初的X射線天文學領域得到了更多的關注”。

為了招募公民科學家，該團隊與天氣預報公司Weathernews合作，Weathernews通過一組志愿者來拍攝和提交照片，以改善公司的實時天氣預報。公眾將能夠使用Weathernews網絡系統在風暴期間上傳照片，使用CoGaMo探測器的人將在伽馬射線輝光出現時收到傳照片的自動提示。

榎戶說，這些數據將是無價的，可以揭示事件發生期間的云結構、幾何形狀、大小和顏色等特征。“我想知道的大問題是，什么樣的雷暴可以產生伽馬射線？”他說，“我們不知道標準類型的雷暴和產生伽馬射線的另類雷暴的區別是什么。”

美國國家猛烈風暴研究所（US National Severe Storms Laboratory）和俄克拉荷馬大學的大氣科學家Vanna Chmielewski說，公民科學家拍的照片將比雷達或其他常規方法更全面地描繪伽馬射線產生時雷云的特征。她說：“老實說，公民科學是最令我興奮的工作內容之一。”

榎戶的團隊希望使用探測器來了解伽馬射線發射區域的大小，以及它們在時間和空間以及云的運動方面有何差異。加州大學圣克魯斯分校的物理學家David Smith說，這個團隊取得成功的一大關鍵是“他們能夠把這些東西放在各個地方”，他從21世紀初就開始研究風暴中的高能現象。
Smith及其同事與靜岡大學的物理學家鴨川仁（Masashi Kamogawa）合作，在日本本土（也是金澤地區）安裝了一個探測器系統。到目前為止，他們只觀測到兩次伽馬射線閃光。但Smith的團隊現在希望效仿榎戶的方法，制作更小、更便宜、敏感度低一些的探測器版本，可以做上幾百個遠遠地發出去——或許可以與理研團隊合作。“那是我的夢想”，他說。

云層內部

物理學家了解輝光和TGF背后的基本過程，但仍有許多問題未解。其中一個關鍵要素是雷云中的強電場。當上升的氣流攜帶冰晶向上運動碰到降落的冰雹時，兩者之間的摩擦在云的不同部分獨立產生帶負電荷和帶正電荷的粒子池，由此形成電場。這些電場是天然的粒子加速器。如果一個非常高能的電子（可能是由外太空來的宇宙射線所產生）進入云的電場，它可以克服空氣摩擦，加速至接近光速[4]。

當這個電子擊中空氣原子，它會釋放出在輝光和閃光中看到的那種伽馬射線，這個過程被稱為軔致輻射（bremsstrahlung radiation）。電子成倍增加，因為每次碰撞都會在連鎖反應中將更多的電子從原子中敲出，從而產生粒子雪崩和伽馬射線涌出[5]。

在伽馬射線輝光中，這種粒子級聯反應慢速發生；在TGF中，它是爆炸性的。Smith說，那就像核電站的核反應和裂變炸彈之間的區別。

奧秘在于細節。研究人員所知的加速器機制不能產生足夠多的電子來產生TGF，這意味著一定有其他某種過程發揮了作用。伽馬射線現象和雷電之間的聯系仍然模糊不清。閃光出現在雷擊開始時，可能就是由雷擊觸發的，而輝光可以是在閃電發生前幾分鐘就開始的。

榎戶希望他的項目數據可以幫助增進對這些天然粒子加速器的了解。他的探測器可以檢測到TGF，但閃光過于明亮，使儀器達到飽和，因此研究人員目前沒法詳加研究。如果目前的實地試驗成功，和田希望能在CoGaMo中安裝額外的探測器以更好地捕獲TGF，幫助研究人員取舍關于其起源的各種觀點。

研究人員提出了兩種主要可能。一種假設認為，電子是在閃電“前導”的尖端釋放的，閃電“前導”即在較大的可見閃電電流之前出現的狹窄導電通道。根據這個觀點，在閃電前導尖端的極端電場可以電離空氣，產生數以萬億計的“種子”電子。

另一種被Dwyer稱為暗閃電（dark lightning）的機制假設，粒子雪崩過程本身將產生比最初認為的更多的電子，因為高能電子產生的一些伽馬射線將引發全新的級聯反應——粒子雪崩的雪崩。

目前，日本探測器陣列的真正優勢將是探索輝光——閃光的“小表親”。日本團隊現在每年在金澤探測到多達20次輝光，并利用射頻接收器的數據繪制閃電圖——與使用無線電輻射探測雷擊強度和位置的合作者一起，并使用雷達測量降水量和其他條件。
研究團隊希望利用其探測器陣列追蹤輝光移動數公里的過程，了解在風暴中產生的強電場的壽命，包括粒子加速如何開始、如何發展，以及是什么使其停止。

2019年，該團隊首次決定性地呈現出增強的輝光突然終止于伽馬射線閃和閃電[6]。“那是一個美麗的結果。”Smith說。對于榎戶，這意味著導致輝光的高能電子流動可能會觸發閃電及其相關的TGF，但研究團隊需要更多的觀測結果來得出前述結論。他說，這個觀點是一種“激動人心的可能性”。

閃電來源

什么觸發了閃電是大氣科學中最大的奧秘之一。“本杰明·富蘭克林幾個世紀前便研究了閃電，但關于它的形成和發展，我們仍有許多不解之處。”Chmielewski說。問題是，到目前為止在風暴中看到的電場似乎太弱，無法電離空氣中的原子——這個過程允許以閃電形式出現的電流連接兩個分離電荷區域。

物理學家Ashot Chilingarian說，確實有證據表明，涉及到的電子雪崩可能為閃電前導開辟道路。他的團隊在亞美尼亞埃里溫物理研究所阿拉加茨宇宙射線研究站（位于山頂），是世界上另外唯一一個看到大量輝光的團隊，他們觀測到了數百次事件。他們用一個更籠統的術語——雷暴地面增強（thunderstorm ground enhancements）——來指輝光，因為他們的探測器也會檢測到電子和其他撞擊粒子。

閃電之所以一直是個謎，原因之一是很難安全地研究風暴云中的電場。Dwyer說，無論輝光是否起到觸發作用，它們都是研究閃電的重要工具，因為它們揭示了風暴內部的情況。伽馬射線告訴研究人員電場持續多久，以及強度如何。“這些是很難直接做出的測量。”Dwyer說。

此外，輝光通常以閃電結束，閃電最終通過消散電場來終止加速器。如果團隊能夠梳理清楚導致輝光產生閃電的條件，和田還希望能使用伽馬射線信號提前幾分鐘預測雷擊，從而可能拯救生命和保護財產。

Smith說，還有一個理由需要了解TGF的常見程度，以及什么樣的閃電易觸發它們：在某些情況下，它們可能很危險。輝光太弱，不會造成問題，等到TGF到達地面時，它們通常是無害的。但近距離時射線閃的威力會很強。例如，如果閃光擊中飛機，“在最壞的情況下，機上的人會帶著明顯的輻射病癥狀走下飛機”，Smith說，不過幸好這事從沒發生過。而且對于飛機來說，這可能不是個問題，因為它們經常觸發閃電，這意味著在電場變得足夠強大，足以發出伽馬射線閃之前，閃電就已經被觸發了。但他想知道飛機上的人是否會受到沒探測到的小劑量輻射。“可能20年后導致兩三例癌癥，你永遠不會知道。但這事很重要，我們需要有所了解”，他說。

榎戶的團隊正在考慮在日本客機上安裝CoGaMo，看看它們是否能探測到來自空中的這種看不見的輻射。而且他們越來越多地在各種位置使用小型探測器：從2022年開始，研究團隊計劃在被稱為立方衛星（cubesat）的小型衛星上放置鞋盒大小的CoGaMo樣探測器。這有助于研究來自宇宙源的X射線輻射，它們非常明亮，足以使美國宇航局的錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory）等價值數十億美元的望遠鏡達到飽和。

回到金澤市泉丘高中，將探測器成功固定到樓頂上后，和田、榎戶及其同事撤回溫暖的教室，很快聚過來了十幾個熱情的學生。他們起初很羞澀，但后來向榎戶他們連珠炮似地提了一串有關探測器、輻射和當地風暴的問題——研究者們沒想到會有這么多收獲。和田很高興。“我們希望這項研究能向所有人開放”，他說。