Trong các quan sát tiến hành tại thành phố Kanazawa thuộc tỉnh Ishikawa, Nhật Bản, một nhóm nhà nghiên cứu do nhà vật lý Yuuki Wada của Đại học Osaka dẫn đầu, sử dụng thiết lập cảm biến đa năng tiên tiến, ghi lại tia sét va chạm ở chế độ chuyển động chậm trên nhiều bước sóng. Quan sát này xác nhận giả thuyết các tia gamma trên mặt đất (TGF), liên quan đến sét là kết quả của một điện trường mạnh làm tăng tốc các electron lên gần bằng tốc độ ánh sáng.

Mặc dù quá trình hình thành sét từ đám mây xuống mặt đất diễn ra rất nhanh, nhưng không phải là tức thời và cần phải có đường đi tạo ra bởi tia sét dẫn đầu. Không khí tự nhiên không dẫn điện tốt, nhưng sự tích tụ điện tích trong khí quyển do hoạt động của giông, bão có thể tạo ra kênh không khí ion hóa mà dòng điện có thể chạy qua. Đây là tia sét dẫn và chúng có thể xuất hiện từ đám mây xuống dưới hoặc từ mặt đất lên trên.

Người ta cho rằng TGF là kết quả của sự tăng tốc của các electron lên gần bằng tốc độ ánh sáng trong điện trường mạnh do giông, bão tạo ra. Khi các electron đột ngột giảm tốc, bị lệch hướng do va chạm với các hạt nhân nguyên tử trong khí quyển, sự mất năng lượng biểu hiện dưới dạng tia gamma, một dạng bức xạ giảm tốc được gọi là bức xạ hãm (bremsstrahlung).

Các nhà nghiên cứu thiết lập thiết bị trên mặt đất để theo dõi sét trên các bước sóng vô tuyến, quang học và năng lượng cao, có khả năng ghi lại chi tiết ở thang thời gian micro giây. Điều thú vị, kết quả của họ cho thấy TGF và sét không xảy ra đồng thời; thay vào đó, TGF xảy ra trước tia sét, nhưng đó là khoảng thời gian cực kỳ nhỏ. Đối với mắt chúng ta, chúng hoàn toàn có vẻ đồng thời. Chỉ với thiết bị hiện đại, chúng ta mới có thể thấy được thực tế.

Nhóm nghiên cứu quan sát hai tia sét dẫn đầu, một tia mang điện tích âm, lao xuống từ đám mây giông đến một tháp phát sóng truyền hình, tia còn lại mang điện tích dương, uốn lượn lên từ tòa tháp. Ngay trước khi hai tia sét mang điện tích trái dấu gặp nhau, một điện trường có mật độ cao xuất hiện giữa chúng, trong đó các electron được tăng tốc đến tốc độ tương đối tính.

Tia gamma đầu tiên được phát hiện chỉ 31 micro giây - 31 phần triệu giây - trước khi các tia sét dẫn đầu va chạm. Toàn bộ vụ nổ TGF kéo dài đến 20 micro giây sau khi các tia sét dẫn đầu gặp nhau để tạo thành tia sét.

Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học quan sát và ghi lại quá trình này, cung cấp cái nhìn mới sâu sắc và chi tiết về cách các cơn giông sét có thể tạo ra đủ năng lượng để tạo ra bức xạ gamma - dạng ánh sáng mạnh nhất trong quang phổ điện từ.

Nghiên cứu này được công bố trên Science Advances.