1991年，當“亞特蘭蒂斯”號太空梭將一顆新的天文臺送入軌道後不久，美國宇航局馬歇爾太空飛行中心的傑拉爾德·菲什曼意識到，有些非常奇怪的事情正在發生。康普頓伽瑪射線天文臺（CGRO）旨在探測來自遙遠天體物理物體（如中子星和超新星遺蹟）的伽馬射線，但它也開始記錄到明亮的、毫秒級的伽馬射線爆發，這些射線不是來自外太空，而是來自地球下方。
天體物理學家早就知道，太陽耀斑、黑洞和爆炸恆星等奇異現象會加速電子和其他粒子達到超高能量，而這些超高能粒子可以發射伽馬射線——自然界中能量最高的光子。然而，在天體物理事件中，粒子在幾乎真空的環境中幾乎自由移動時被加速。那麼，地球大氣層（當然遠非真空）中的粒子怎麼可能做同樣的事情呢？
早期資料最初使我們和其他專家相信，這些所謂的地球伽馬射線閃光起源於雲層上方40英里處，但我們現在已經確定，它們是由普通雷雨雲內部的放電產生的，位置要低得多。與此同時，為解釋這些怪異的伽馬射線而設計的日益複雜的理論，一直在努力跟上觀測結果：實驗一次又一次地檢測到先前認為在大氣層中不可能存在的能量。甚至反物質也出人意料地出現了。
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二十一年後，研究人員對可能產生這些地球伽馬射線閃光的原因有了很好的瞭解，儘管仍然存在不確定性。這個引人入勝的謎題之所以變得更加緊迫，是因為它可能對人類健康產生影響：如果飛機飛得太靠近源頭，伽馬射線可能會對機上人員構成輻射危害。
一石二鳥？
起初，科學家們想知道伽馬射線是否可能與幾年前發現的另一種大氣奇觀有關。訓練有素的攝像頭在雷雨雲上方拍攝到明亮的、短暫的紅色閃光，位於地面上方50英里處，寬度達數英里，看起來像巨大的水母。這些令人印象深刻的放電被戲稱為“精靈”。由於精靈幾乎到達太空邊緣，因此似乎它們可能會向軌道探測器可見的方向噴射出伽馬射線。
很快，理論物理學家首次嘗試解釋精靈如何產生太空伽馬射線。人們認為精靈是普通閃電在下方雲層中發生的副作用。閃電是暫時穿過空氣（否則是電絕緣體）的導電通道。閃電將電子在 атмосферы 各區域之間或大氣層與地面之間傳輸。它是由靜電荷不平衡引起的，並由由此產生的電場觸發，其電勢差可能超過1億伏特。
電子的猛烈衝擊部分恢復了靜電平衡。然而，正如在墊子上壓下一個凸起通常會導致另一個凸起在其他地方彈起一樣，雲層內部的放電通常會導致電場在其他地方彈起，包括在地面上——在那裡它可能稍後導致向上閃電——或在電離層底部附近——在那裡可能產生精靈。
1992年，莫斯科列別捷夫物理研究所的亞歷山大·V·古列維奇和他的合作者計算出，電離層附近的這種二次電場可能會產生高能電子雪崩，這些電子撞擊原子時，除了精靈特有的紅光外，還會釋放出高能光子——X射線和能量更高的伽馬射線。他們提出的機制源於諾貝爾獎獲得者蘇格蘭科學家C.T.R.威爾遜在1920年代提出的建議。在低能量下，受電場推動的電子就像醉酒的水手，從一個分子彈到另一個分子，每次碰撞都會損失能量。然而，在高能量下，電子以更直線的路徑傳播，從電場中獲得更多能量，這使得任何碰撞都更難以干擾它們的路徑，依此類推——這是一個自我強化的過程。這個序列與我們的日常經驗不同，在日常經驗中，我們速度越快，受到的阻力就越大，任何騎腳踏車的人都可以證明這一點。
這些“失控”電子可能會加速到接近光速，並在停止前傳播數英里，而不是電子通常在空氣中移動的幾英尺。古列維奇的團隊推斷，當失控電子最終撞擊空氣中的氣體分子時，它可能會釋放出另一個電子，然後該電子本身可能會失控。結果將類似於鏈式反應：高能電子雪崩，其隨著距離呈指數增長，並且可以延伸到電場延伸的範圍。古列維奇和他的合作者計算出，雪崩效應可以將X射線和伽馬射線的產生提高几個數量級。一段時間以來，這種圖景似乎非常引人注目，因為它統一了兩種獨立的大氣現象：伽馬射線閃光和精靈。正如我們將看到的，現實證明更為複雜。
精靈的無辜
在接下來的幾年裡，從1996年開始，理論的改進版本不斷湧現，這些版本將精靈建模為產生伽馬射線的失控電子雪崩的表現形式。支援精靈模型的證據之一是伽馬射線的能譜。高能伽馬射線比低能伽馬射線在空氣中傳播得更遠，因此它們更有可能到達太空。透過計算到達航天器的每個能量級別的伽馬射線光子數量，科學家可以推斷出產生它們的光源的高度。對CGRO看到的伽馬射線能量的首次檢查表明，光源的高度非常高，與精靈一致。
然後，在2003年，事情發生了意想不到的轉變。當我們在佛羅里達州的一個閃電研究機構工作，並測量從火箭觸發的閃電到達地面的X射線輻射時，我們中的一位（德懷爾）和他的合作者探測到非常明亮的伽馬射線爆發，這些爆發來自頭頂的雷雨雲，並籠罩著我們周圍的地形[參見約瑟夫·R·德懷爾的“晴天霹靂”；《大眾科學》，2005年5月]。在我們的儀器上，這種爆發看起來與每個人都認為起源於更高處的地球伽馬射線閃光完全一樣：射線具有相同的能量和大約0.3毫秒的持續時間。當時，每個人都認為閃光來自太高的地方，以至於無法在地面上看到。這種相似性暗示，雷雨雲內部的閃電可能直接是到達CGRO的伽馬射線的來源，但與此同時，這個想法似乎有點瘋狂：閃光必須非常明亮，才能透過所有這些大氣層將足夠的伽馬射線發射到太空。
然而，很快，其他發展將推翻精靈與伽馬射線之間的所謂聯絡。2002年，美國宇航局發射了Reuven Ramaty高能太陽光譜成像儀（RHESSI），以研究來自太陽的X射線和伽馬射線。但RHESSI的大型鍺探測器也非常適合測量來自大氣層的伽馬射線，儘管它們必須透過航天器的背面進行測量，而天文臺則面向我們的恆星。我們中的一位（史密斯）是一位天體物理學家和太陽物理學家，他在RHESSI儀器團隊工作，並招募了當時是加州大學伯克利分校本科生的莉莉安娜·洛佩茲，梳理RHESSI多年來的連續資料流，以尋找來自下方的伽馬射線證據。當時，地球伽馬射線閃光被認為非常罕見。然而，洛佩茲卻發現了一個寶藏：RHESSI每隔幾天就會探測到一次閃光，約為CGRO速率的10倍。
RHESSI比CGRO更好地測量了每次爆發中伽馬射線光子的能量。它們的頻譜看起來就像人們預期的失控電子頻譜。然而，透過將其與模擬進行比較，我們推斷出伽馬射線已經穿過了大量空氣，因此它們必須起源於大約9到13英里的高度之間——雷暴頂部的典型高度，但遠低於精靈居住的近50英里高度。
進一步獨立的證據迅速積累，支援伽馬射線起源於較低高度，而不是與精靈有關。杜克大學的史蒂文·庫默爾對與RHESSI事件相關的一些閃電進行的無線電測量發現，這些閃電閃光太弱，無法產生精靈。此外，RHESSI在世界各地繪製的伽馬射線閃光圖看起來非常像普通閃電圖，閃電集中在熱帶地區，而非常不像精靈圖，精靈有時聚集在美國大平原等較高緯度地區。
然而，支援精靈作為起源的一個剩餘論點是，來自CGRO事件的能譜似乎指向高光源高度，這比雷暴更符合精靈。我們中的許多人開始相信可能存在兩種型別的伽馬射線閃光，低空和高空閃光。但是，當我們意識到地球伽馬射線閃光比以前認為的要亮得多時，對精靈想法的最後一擊來了。事實上，在2008年與當時的博士生布萊恩·格雷芬斯特特合作時，我們確定它們非常明亮，以至於CGRO部分被它們致盲，無法測量它們的全部強度。（這種飽和也影響了RHESSI，儘管程度較輕。）當挪威卑爾根大學的研究人員在2010年重新分析資料時，他們發現考慮到儀器飽和，結果與低空來源一致。
因此，在不到兩年的時間裡，伽馬射線閃光形成的假定高度驟降了30多英里。在科學領域，如此迅速地目睹正規化轉變是罕見的。鑑於十年前當我們開始涉足這個研究領域時，精靈是大氣層中如何產生高能輻射的一個閃亮例子，這種變化具有諷刺意味。現在，10年後，幾乎所有東西——雷雨雲、各種閃電、實驗室火花——似乎都會產生可檢測到的高能輻射，但顯然精靈不會。現在的共識是，精靈輻射的低能量意味著它們畢竟不是伽馬射線閃光的原因。
引入反物質
那麼，如果不是精靈產生伽馬射線閃光，那是什麼呢？這個過程是否仍然涉及失控電子雪崩？事實證明，古列維奇及其公司建模的雪崩機制，雖然能量太高，與精靈無關，但不足以產生RHESSI或新分析的CGRO資料所見的巨大光度。然而，德懷爾的計算表明，電子雪崩機制的超充版本可以釋放出比先前設想的能量高萬億倍的能量，並且可以在雷雨雲內部做到這一點。令人震驚的是，這種機制還將涉及大量反物質的產生。
如果雷雨雲內部的電場足夠強，失控電子——假設它們以某種方式形成——應該加速到接近光速，並且當它們撞擊空氣分子中的原子核時，可能會發射伽馬射線。反過來，伽馬射線光子可以與原子核相互作用，產生成對的粒子：電子及其反物質雙胞胎，正電子。正電子也會失控，從電場中獲得能量。但是，當電子在電場中向上移動時，具有相反電荷的正電子會向下移動。當正電子到達電場區域的底部時，它們會撞擊空氣原子並擊出新的電子，這些電子將再次失控向上移動。
這樣，向上移動的電子會產生向下移動的正電子，而正電子反過來會產生更多向上移動的電子，依此類推。隨著一個雪崩導致另一個雪崩，放電會迅速擴充套件到雷雨雲的廣闊區域，寬度可達數英里。該模型（稱為相對論反饋放電模型）預測的數字與CGRO和RHESSI看到的伽馬射線的強度、持續時間和能譜完美匹配。
正電子的正反饋類似於我們透過將麥克風靠近揚聲器而獲得的令人討厭的尖叫聲。當然，如果我們想要很大的噪音，我們也可以對著麥克風大喊大叫。這種邏輯是另一種可能的解釋背後的原因，儘管這種解釋尚未在數學上完全解決：伽馬射線閃光是閃電接近地面時發射的X射線爆發的能量更高的版本。幾年來，佛羅里達理工學院、佛羅里達大學和新墨西哥礦業與技術學院的研究人員一直在測量這些X射線，既來自用火箭人工觸發的閃電，也來自擊中地面的自然閃電。來自佛羅里達州快速X射線相機的X射線“電影”顯示，當閃電通道從雲層傳播到地面時，爆發是從閃電通道的尖端發出的。大多數科學家認為，X射線是由失控電子產生的，這些電子在閃電前方的強電場中加速。也許，由於我們尚未弄清楚的原因，在雷雨雲內部的電場中移動的閃電在產生這些失控電子方面做得更好。如果這種想法是正確的，那麼航天器從數百英里外看到的閃光可能只是地面探測器在距離閃電幾百英尺處看到的閃電產生的X射線的版本——透過某種仍未知的機制放大。
晴天霹靂
到2005年底，我們確信大多數地球伽馬射線閃光都源於雷雨雲內部或頂部附近，無論是否涉及反物質或增強型閃電。然而，在我們能夠對這種新正規化感到太舒適之前，有些事情似乎再次質疑了我們的理解：RHESSI拾取的事件之一恰好發生在撒哈拉沙漠中部——在一個陽光明媚的日子裡，看不到雷雨雲。
我們和我們的學生花了幾個月的時間來研究這個問題。事實證明，那天確實形成了雷雨雲——只是不是在航天器所觀察到的地方。風暴發生在數千英里以南，在RHESSI的地平線之外。它們的伽馬射線，像所有形式的光一樣，以直線傳播，不可能到達航天器。
另一方面，帶電粒子（如電子）自然地沿軌跡螺旋形地圍繞地球磁場的彎曲線傳播。風暴恰好位於穿過航天器的磁力線的另一端。到達非常高海拔的電子可能已經繞地球環行，並撞擊RHESSI的探測器，在此過程中形成伽馬射線。然而，似乎不可能的是，在雷雨雲內部釋放的電子能夠穿過許多英里的大氣層到達太空中的高度，在那裡它們可以搭便車繞磁力線飛行。新的觀測結果似乎再次需要高空來源。
此外，去年，費米伽瑪射線太空望遠鏡觀察到了更多這些環行光束，並做出了一個驚人的發現：相當大一部分光束由正電子組成。因此，大氣現象似乎不僅可以將電子和伽馬射線噴射到太空，還可以噴射反物質粒子。事後看來，鑑於伽馬射線的能量如此之高，我們應該預料到會看到這些正電子。然而，考慮到在自然界中觀察到反物質是多麼不尋常，費米的發現令人震驚。
我們的團隊很快意識到，撒哈拉沙漠發現的解釋不是伽馬射線來自高空，而是它們在雷雨雲內部產生的數量比人們認為的要多得多。其中一些 направляющиеся в космос 的射線，撞擊到海拔約25英里以上的偶爾出現的空氣分子，併產生次級電子-正電子對，然後搭乘磁力線環繞地球。下次您看到高聳的雷雨雲時，請停下來記住，它能夠向太空發射高能粒子，這些粒子可以在地球的另一端被探測到。
新的異常值
正電子的出現並不是我們最後一次震驚。2011年晚些時候，義大利航天局的AGILE天文臺發現，地球伽馬射線閃光的能譜延伸至100兆電子伏特，即使來自太陽耀斑，這個值也令人驚歎。如果正確的話，這些觀測結果對我們的模型提出了質疑，因為失控機制似乎極不可能自行產生如此高的能量。事實上，目前尚不清楚是什麼可能在雷暴內部將電子加速到如此高的能量。在這一點上，我們需要更多的觀測來幫助指導理論。幸運的是，來自美國、歐洲和俄羅斯的團隊現在正開始發射首批專門用於探測地球伽馬射線的太空任務。
與此同時，為了更接近行動，我們和我們的合作者建造了一種飛機儀器，旨在測量來自雷暴的伽馬射線。對伽馬射線暴露危險的擔憂阻止我們直接飛入風暴。但在德懷爾參與的早期試飛中，飛機不小心轉錯了彎。當我們的探測器突然亮起時，恐懼感很快被欣喜所取代。隨後的分析表明，該區域正在加速我們期望產生伽馬射線閃光的同類型失控電子。幸運的是，發射保持在較低水平，並且沒有經歷從太空看到的事件的爆炸性增長。從這些飛行中，我們發現雷暴最常發出相對無害的、持續的伽馬射線輝光。
然而，初步計算表明，如果一架航班恰好直接受到風暴內部的高能電子和伽馬射線的襲擊，乘客和機組人員可能會——在沒有任何感覺的情況下——在不到一秒的時間內接受相當於一生自然輻射劑量的輻射。一個好訊息是，我們不需要警告飛行員遠離雷暴，因為他們已經這樣做了；雷暴是非常危險的地方，無論有沒有伽馬射線。
在某種程度上，對地球伽馬射線閃光的研究正在完成本傑明·富蘭克林的工作，據說他將風箏送入雷暴中，以檢視它是否會導電，從而表明閃電是放電。令人驚訝的是，在他進行風箏實驗兩個半世紀後，科學家們仍然不完全瞭解雷雨雲是如何產生伽馬射線閃光的，甚至不瞭解它們是如何產生簡單的閃電的。我們兩人都花費了大部分職業生涯研究遠離太陽系的奇異物體，但我們被這項研究的誘惑拉回了地球。也許甚至富蘭克林也沒有意識到雷暴會如此有趣。