1991年，当“亚特兰蒂斯”号航天飞机将一颗新的天文台送入轨道后不久，美国宇航局马歇尔太空飞行中心的杰拉尔德·菲什曼意识到，有些非常奇怪的事情正在发生。康普顿伽玛射线天文台（CGRO）旨在探测来自遥远天体物理物体（如中子星和超新星遗迹）的伽马射线，但它也开始记录到明亮的、毫秒级的伽马射线爆发，这些射线不是来自外太空，而是来自地球下方。
天体物理学家早就知道，太阳耀斑、黑洞和爆炸恒星等奇异现象会加速电子和其他粒子达到超高能量，而这些超高能粒子可以发射伽马射线——自然界中能量最高的光子。然而，在天体物理事件中，粒子在几乎真空的环境中几乎自由移动时被加速。那么，地球大气层（当然远非真空）中的粒子怎么可能做同样的事情呢？
早期数据最初使我们和其他专家相信，这些所谓的地球伽马射线闪光起源于云层上方40英里处，但我们现在已经确定，它们是由普通雷雨云内部的放电产生的，位置要低得多。与此同时，为解释这些怪异的伽马射线而设计的日益复杂的理论，一直在努力跟上观测结果：实验一次又一次地检测到先前认为在大气层中不可能存在的能量。甚至反物质也出人意料地出现了。
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二十一年后，研究人员对可能产生这些地球伽马射线闪光的原因有了很好的了解，尽管仍然存在不确定性。这个引人入胜的谜题之所以变得更加紧迫，是因为它可能对人类健康产生影响：如果飞机飞得太靠近源头，伽马射线可能会对机上人员构成辐射危害。
一石二鸟？
起初，科学家们想知道伽马射线是否可能与几年前发现的另一种大气奇观有关。训练有素的摄像头在雷雨云上方拍摄到明亮的、短暂的红色闪光，位于地面上方50英里处，宽度达数英里，看起来像巨大的水母。这些令人印象深刻的放电被戏称为“精灵”。由于精灵几乎到达太空边缘，因此似乎它们可能会向轨道探测器可见的方向喷射出伽马射线。
很快，理论物理学家首次尝试解释精灵如何产生太空伽马射线。人们认为精灵是普通闪电在下方云层中发生的副作用。闪电是暂时穿过空气（否则是电绝缘体）的导电通道。闪电将电子在 атмосферы 各区域之间或大气层与地面之间传输。它是由静电荷不平衡引起的，并由由此产生的电场触发，其电势差可能超过1亿伏特。
电子的猛烈冲击部分恢复了静电平衡。然而，正如在垫子上压下一个凸起通常会导致另一个凸起在其他地方弹起一样，云层内部的放电通常会导致电场在其他地方弹起，包括在地面上——在那里它可能稍后导致向上闪电——或在电离层底部附近——在那里可能产生精灵。
1992年，莫斯科列别捷夫物理研究所的亚历山大·V·古列维奇和他的合作者计算出，电离层附近的这种二次电场可能会产生高能电子雪崩，这些电子撞击原子时，除了精灵特有的红光外，还会释放出高能光子——X射线和能量更高的伽马射线。他们提出的机制源于诺贝尔奖获得者苏格兰科学家C.T.R.威尔逊在1920年代提出的建议。在低能量下，受电场推动的电子就像醉酒的水手，从一个分子弹到另一个分子，每次碰撞都会损失能量。然而，在高能量下，电子以更直线的路径传播，从电场中获得更多能量，这使得任何碰撞都更难以干扰它们的路径，依此类推——这是一个自我强化的过程。这个序列与我们的日常经验不同，在日常经验中，我们速度越快，受到的阻力就越大，任何骑自行车的人都可以证明这一点。
这些“失控”电子可能会加速到接近光速，并在停止前传播数英里，而不是电子通常在空气中移动的几英尺。古列维奇的团队推断，当失控电子最终撞击空气中的气体分子时，它可能会释放出另一个电子，然后该电子本身可能会失控。结果将类似于链式反应：高能电子雪崩，其随着距离呈指数增长，并且可以延伸到电场延伸的范围。古列维奇和他的合作者计算出，雪崩效应可以将X射线和伽马射线的产生提高几个数量级。一段时间以来，这种图景似乎非常引人注目，因为它统一了两种独立的大气现象：伽马射线闪光和精灵。正如我们将看到的，现实证明更为复杂。
精灵的无辜
在接下来的几年里，从1996年开始，理论的改进版本不断涌现，这些版本将精灵建模为产生伽马射线的失控电子雪崩的表现形式。支持精灵模型的证据之一是伽马射线的能谱。高能伽马射线比低能伽马射线在空气中传播得更远，因此它们更有可能到达太空。通过计算到达航天器的每个能量级别的伽马射线光子数量，科学家可以推断出产生它们的光源的高度。对CGRO看到的伽马射线能量的首次检查表明，光源的高度非常高，与精灵一致。
然后，在2003年，事情发生了意想不到的转变。当我们在佛罗里达州的一个闪电研究机构工作，并测量从火箭触发的闪电到达地面的X射线辐射时，我们中的一位（德怀尔）和他的合作者探测到非常明亮的伽马射线爆发，这些爆发来自头顶的雷雨云，并笼罩着我们周围的地形[参见约瑟夫·R·德怀尔的“晴天霹雳”；《大众科学》，2005年5月]。在我们的仪器上，这种爆发看起来与每个人都认为起源于更高处的地球伽马射线闪光完全一样：射线具有相同的能量和大约0.3毫秒的持续时间。当时，每个人都认为闪光来自太高的地方，以至于无法在地面上看到。这种相似性暗示，雷雨云内部的闪电可能直接是到达CGRO的伽马射线的来源，但与此同时，这个想法似乎有点疯狂：闪光必须非常明亮，才能通过所有这些大气层将足够的伽马射线发射到太空。
然而，很快，其他发展将推翻精灵与伽马射线之间的所谓联系。2002年，美国宇航局发射了Reuven Ramaty高能太阳光谱成像仪（RHESSI），以研究来自太阳的X射线和伽马射线。但RHESSI的大型锗探测器也非常适合测量来自大气层的伽马射线，尽管它们必须通过航天器的背面进行测量，而天文台则面向我们的恒星。我们中的一位（史密斯）是一位天体物理学家和太阳物理学家，他在RHESSI仪器团队工作，并招募了当时是加州大学伯克利分校本科生的莉莉安娜·洛佩兹，梳理RHESSI多年来的连续数据流，以寻找来自下方的伽马射线证据。当时，地球伽马射线闪光被认为非常罕见。然而，洛佩兹却发现了一个宝藏：RHESSI每隔几天就会探测到一次闪光，约为CGRO速率的10倍。
RHESSI比CGRO更好地测量了每次爆发中伽马射线光子的能量。它们的频谱看起来就像人们预期的失控电子频谱。然而，通过将其与模拟进行比较，我们推断出伽马射线已经穿过了大量空气，因此它们必须起源于大约9到13英里的高度之间——雷暴顶部的典型高度，但远低于精灵居住的近50英里高度。
进一步独立的证据迅速积累，支持伽马射线起源于较低高度，而不是与精灵有关。杜克大学的史蒂文·库默尔对与RHESSI事件相关的一些闪电进行的无线电测量发现，这些闪电闪光太弱，无法产生精灵。此外，RHESSI在世界各地绘制的伽马射线闪光图看起来非常像普通闪电图，闪电集中在热带地区，而非常不像精灵图，精灵有时聚集在美国大平原等较高纬度地区。
然而，支持精灵作为起源的一个剩余论点是，来自CGRO事件的能谱似乎指向高光源高度，这比雷暴更符合精灵。我们中的许多人开始相信可能存在两种类型的伽马射线闪光，低空和高空闪光。但是，当我们意识到地球伽马射线闪光比以前认为的要亮得多时，对精灵想法的最后一击来了。事实上，在2008年与当时的博士生布莱恩·格雷芬斯特特合作时，我们确定它们非常明亮，以至于CGRO部分被它们致盲，无法测量它们的全部强度。（这种饱和也影响了RHESSI，尽管程度较轻。）当挪威卑尔根大学的研究人员在2010年重新分析数据时，他们发现考虑到仪器饱和，结果与低空来源一致。
因此，在不到两年的时间里，伽马射线闪光形成的假定高度骤降了30多英里。在科学领域，如此迅速地目睹范式转变是罕见的。鉴于十年前当我们开始涉足这个研究领域时，精灵是大气层中如何产生高能辐射的一个闪亮例子，这种变化具有讽刺意味。现在，10年后，几乎所有东西——雷雨云、各种闪电、实验室火花——似乎都会产生可检测到的高能辐射，但显然精灵不会。现在的共识是，精灵辐射的低能量意味着它们毕竟不是伽马射线闪光的原因。
引入反物质
那么，如果不是精灵产生伽马射线闪光，那是什么呢？这个过程是否仍然涉及失控电子雪崩？事实证明，古列维奇及其公司建模的雪崩机制，虽然能量太高，与精灵无关，但不足以产生RHESSI或新分析的CGRO数据所见的巨大光度。然而，德怀尔的计算表明，电子雪崩机制的超充版本可以释放出比先前设想的能量高万亿倍的能量，并且可以在雷雨云内部做到这一点。令人震惊的是，这种机制还将涉及大量反物质的产生。
如果雷雨云内部的电场足够强，失控电子——假设它们以某种方式形成——应该加速到接近光速，并且当它们撞击空气分子中的原子核时，可能会发射伽马射线。反过来，伽马射线光子可以与原子核相互作用，产生成对的粒子：电子及其反物质双胞胎，正电子。正电子也会失控，从电场中获得能量。但是，当电子在电场中向上移动时，具有相反电荷的正电子会向下移动。当正电子到达电场区域的底部时，它们会撞击空气原子并击出新的电子，这些电子将再次失控向上移动。
这样，向上移动的电子会产生向下移动的正电子，而正电子反过来会产生更多向上移动的电子，依此类推。随着一个雪崩导致另一个雪崩，放电会迅速扩展到雷雨云的广阔区域，宽度可达数英里。该模型（称为相对论反馈放电模型）预测的数字与CGRO和RHESSI看到的伽马射线的强度、持续时间和能谱完美匹配。
正电子的正反馈类似于我们通过将麦克风靠近扬声器而获得的令人讨厌的尖叫声。当然，如果我们想要很大的噪音，我们也可以对着麦克风大喊大叫。这种逻辑是另一种可能的解释背后的原因，尽管这种解释尚未在数学上完全解决：伽马射线闪光是闪电接近地面时发射的X射线爆发的能量更高的版本。几年来，佛罗里达理工学院、佛罗里达大学和新墨西哥矿业与技术学院的研究人员一直在测量这些X射线，既来自用火箭人工触发的闪电，也来自击中地面的自然闪电。来自佛罗里达州快速X射线相机的X射线“电影”显示，当闪电通道从云层传播到地面时，爆发是从闪电通道的尖端发出的。大多数科学家认为，X射线是由失控电子产生的，这些电子在闪电前方的强电场中加速。也许，由于我们尚未弄清楚的原因，在雷雨云内部的电场中移动的闪电在产生这些失控电子方面做得更好。如果这种想法是正确的，那么航天器从数百英里外看到的闪光可能只是地面探测器在距离闪电几百英尺处看到的闪电产生的X射线的版本——通过某种仍未知的机制放大。
晴天霹雳
到2005年底，我们确信大多数地球伽马射线闪光都源于雷雨云内部或顶部附近，无论是否涉及反物质或增强型闪电。然而，在我们能够对这种新范式感到太舒适之前，有些事情似乎再次质疑了我们的理解：RHESSI拾取的事件之一恰好发生在撒哈拉沙漠中部——在一个阳光明媚的日子里，看不到雷雨云。
我们和我们的学生花了几个月的时间来研究这个问题。事实证明，那天确实形成了雷雨云——只是不是在航天器所观察到的地方。风暴发生在数千英里以南，在RHESSI的地平线之外。它们的伽马射线，像所有形式的光一样，以直线传播，不可能到达航天器。
另一方面，带电粒子（如电子）自然地沿轨迹螺旋形地围绕地球磁场的弯曲线传播。风暴恰好位于穿过航天器的磁力线的另一端。到达非常高海拔的电子可能已经绕地球环行，并撞击RHESSI的探测器，在此过程中形成伽马射线。然而，似乎不可能的是，在雷雨云内部释放的电子能够穿过许多英里的大气层到达太空中的高度，在那里它们可以搭便车绕磁力线飞行。新的观测结果似乎再次需要高空来源。
此外，去年，费米伽玛射线太空望远镜观察到了更多这些环行光束，并做出了一个惊人的发现：相当大一部分光束由正电子组成。因此，大气现象似乎不仅可以将电子和伽马射线喷射到太空，还可以喷射反物质粒子。事后看来，鉴于伽马射线的能量如此之高，我们应该预料到会看到这些正电子。然而，考虑到在自然界中观察到反物质是多么不寻常，费米的发现令人震惊。
我们的团队很快意识到，撒哈拉沙漠发现的解释不是伽马射线来自高空，而是它们在雷雨云内部产生的数量比人们认为的要多得多。其中一些 направляющиеся в космос 的射线，撞击到海拔约25英里以上的偶尔出现的空气分子，并产生次级电子-正电子对，然后搭乘磁力线环绕地球。下次您看到高耸的雷雨云时，请停下来记住，它能够向太空发射高能粒子，这些粒子可以在地球的另一端被探测到。
新的异常值
正电子的出现并不是我们最后一次震惊。2011年晚些时候，意大利航天局的AGILE天文台发现，地球伽马射线闪光的能谱延伸至100兆电子伏特，即使来自太阳耀斑，这个值也令人惊叹。如果正确的话，这些观测结果对我们的模型提出了质疑，因为失控机制似乎极不可能自行产生如此高的能量。事实上，目前尚不清楚是什么可能在雷暴内部将电子加速到如此高的能量。在这一点上，我们需要更多的观测来帮助指导理论。幸运的是，来自美国、欧洲和俄罗斯的团队现在正开始发射首批专门用于探测地球伽马射线的太空任务。
与此同时，为了更接近行动，我们和我们的合作者建造了一种飞机仪器，旨在测量来自雷暴的伽马射线。对伽马射线暴露危险的担忧阻止我们直接飞入风暴。但在德怀尔参与的早期试飞中，飞机不小心转错了弯。当我们的探测器突然亮起时，恐惧感很快被欣喜所取代。随后的分析表明，该区域正在加速我们期望产生伽马射线闪光的同类型失控电子。幸运的是，发射保持在较低水平，并且没有经历从太空看到的事件的爆炸性增长。从这些飞行中，我们发现雷暴最常发出相对无害的、持续的伽马射线辉光。
然而，初步计算表明，如果一架航班恰好直接受到风暴内部的高能电子和伽马射线的袭击，乘客和机组人员可能会——在没有任何感觉的情况下——在不到一秒的时间内接受相当于一生自然辐射剂量的辐射。一个好消息是，我们不需要警告飞行员远离雷暴，因为他们已经这样做了；雷暴是非常危险的地方，无论有没有伽马射线。
在某种程度上，对地球伽马射线闪光的研究正在完成本杰明·富兰克林的工作，据说他将风筝送入雷暴中，以查看它是否会导电，从而表明闪电是放电。令人惊讶的是，在他进行风筝实验两个半世纪后，科学家们仍然不完全了解雷雨云是如何产生伽马射线闪光的，甚至不了解它们是如何产生简单的闪电的。我们两人都花费了大部分职业生涯研究远离太阳系的奇异物体，但我们被这项研究的诱惑拉回了地球。也许甚至富兰克林也没有意识到雷暴会如此有趣。