Новая технология, разработанная исследователями штата Джорджия, используется для изучения как космической, так и земной погоды. Фото: Информация от:: Университет штата Джорджия.
Невооруженным глазом вы не можете увидеть погоду в космосе или почувствовать, как космические лучи достигают Земли, но они могут влиять на такие важные системы, как наш климат, компьютерные соединения, связь и даже наше здоровье.
Профессор физики и астрономии Риджентс Сяочунь Он берет на себя некоторые важные вопросы, измеряя эти космические лучи, используя технологии, разработанные в его фундаментальных исследовательских проектах по ядерной физике. Он и его команда оценивают, как эти лучи влияют на климат Земли, какую роль они могли сыграть в возникновении Вселенной и какую роль они могут сыграть в возникновении рака в организме.
Здесь доктор Хе рассказывает, что вдохновило эту работу и как изучение космических лучей может оказать влияние здесь, на Земле.
Что такое космическая погода и зачем за ней нужно следить?
Космическая погода — это общий термин для описания солнечной активности, включая выброс корональной массы Солнца и такие вещи, как геомагнитные бури. Сильные солнечные бури могут вызвать значительные перебои в нашей системе связи, потенциально повредить спутники и повлиять, например, на дальнюю энергосистему.
Отличаются ли космические лучи от космической погоды?
Большинство энергичных частиц космических лучей — главным образом протонов — имеют галактическое происхождение; некоторые из них попадают в Солнечную систему и бомбардируют атмосферу Земли. Эти частицы космических лучей сталкиваются с молекулами в атмосфере Земли на высоте около 15 километров и производят вторичные частицы (так называемые ливни космических лучей).
Самыми вторичными частицами, достигающими поверхности Земли, являются мюонные частицы, которые обнаруживаются нашими детекторами. Космическая погода действительно влияет на количество частиц космических лучей, попадающих в атмосферу Земли, поэтому мы можем использовать данные наших детекторов для изучения изменений космической погоды.
Ваша команда разработала детекторы космических лучей для сбора важных данных, включая мониторинг космической и земной погоды. Какова цель этой работы?
Мюонные детекторы космических лучей были разработаны мной и моими студентами в группе ядерной физики в штате Джорджия.
На сегодняшний день мы установили два детектора в Шри-Ланке, один в Сингапуре и один в Колумбии, за пределами США. У нас также есть детекторы, установленные на массиве CHARA на Маунт-Уилсон, Калифорния, и в обсерватории Апач-Пойнт в Нью-Мексико. .
В настоящее время планируется установить еще два детектора в Африке и один в Сербии до конца этого лета. Моя долгосрочная цель — установить хотя бы один детектор в каждой стране мира, надеюсь, до того, как я уйду из штата Джорджия.
Что делает эти детекторы уникальными и важными?
Ключевыми особенностями нашего детектора являются портативность, низкая стоимость, простота установки и сбора данных. Учитывая тот факт, что стоимость детектора дешевле стоимости iPhone, практически возможно разместить эти детекторы во многих местах по всему миру.
Как эти детекторы помогают собирать данные о том, как меняется наш климат?
Потепление климата вызывает расширение атмосферы на большую высоту и экстремальные погодные явления по всему миру. Эти изменения влияют на количество частиц космических лучей, регистрируемых нашими детекторами.
Анализируя данные, мы надеемся разработать надежную модель для мониторинга экстремальных погодных условий и изменений климата на Земле. Для достижения этой цели потребуются годы. В настоящее время наши студенты активно разрабатывают инструменты машинного обучения для анализа существующих данных. Прогресс будет развиваться по мере появления новых детекторов.
Часть вашей работы включает в себя проект по разработке детекторов для миссии НАСА на микроспутнике. Расскажите подробнее об этой работе.
И космическая, и земная погода будут влиять на количество частиц, регистрируемое нашими детекторами. Во многих случаях разделить эти эффекты сложно. Одна из идей — разместить на низкой околоземной орбите детектор меньшего размера для отслеживания явлений космической погоды.
В прошлом году мы с доктором Эшвином Ашоком посетили Исследовательский центр Эймса НАСА и разработали прототип в соответствии со спецификациями НАСА CubeSat. По словам наших друзей из НАСА, мы надеемся, что прототип сможет быть запущен в космос в 2025 году.
Помимо воздействия космических лучей на атмосферу, вы думаете, что они могут даже играть роль в здоровье человека. Можете ли вы поделиться некоторыми работами, которые вас интересуют?
Космические лучи существовали задолго до того, как на Земле возникла жизнь, и они являются частью естественного фонового излучения, которое испытывают люди. Я думаю, что ионизирующее излучение, вероятно, связано с образованием некоторых видов рака, и мне бы хотелось увидеть больше исследований в этой области. Поскольку космические лучи представляют собой ионизирующее излучение, которое может вызвать мутацию генов и разрыв двухцепочечной ДНК, важно понять роль космических лучей в эволюции жизни на Земле, что важно для космических путешествий.
Кроме того, поскольку ливни космических лучей обычно возникают на высоте нескольких километров над высотой полета коммерческих рейсов, летные экипажи получают больше доз радиации. В течение многих лет я носил с собой в путешествиях счетчик Гейгера и фиксировал повышение уровня радиации космических лучей в 20–40 раз по сравнению с уровнями на Земле.
Меня давно интересовало понимание последствий повышенного уровня радиации для здоровья. За последние два года я смог использовать наш собственный детектор, чтобы гораздо лучше измерять увеличение излучения космических лучей со значительной статистической точностью.
Вы также думаете, что эти детекторы могут помочь вдохновить учащихся средних и старших классов узнать больше об исследованиях STEM. Можете ли вы рассказать об этом подробнее?
Помимо моих исследований, преподавание курсов и работа с командой талантливых аспирантов являются одними из наиболее полезных аспектов моей работы. После формирования команды Cosmic RISE с нашими междисциплинарными преподавателями мы видим прекрасную возможность использовать недавно разработанный детектор для обучения STEM.
Стоимость детектора является приемлемой, а устройства портативны и просты в эксплуатации. В то же время эти детекторы позволяют стимулировать образование STEM для студентов, несмотря на культурные различия и языковые барьеры, особенно для студентов из развивающихся стран.
Помимо работы по обнаружению космических лучей, вы также проводите исследования на релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории. Как это все связано?
Мой главный исследовательский проект, как физика-ядерщика высоких энергий, заключается в столкновении ядер золота, приближающихся к скорости света, с использованием релятивистского коллайдера тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории, который поддерживается Министерством энергетики США с 1998 года. Я благодарен смог собрать команду физиков-ядерщиков мирового класса в штате Джорджия, в том числе Мурада Сарсура, Меган Коннорс и доктора Ян-Тин Чиен.
Идея состоит в том, что состояние материи, созданное из сталкивающихся ядер, настолько горячее и плотное, что очень похоже на состояние материи через несколько микросекунд после Большого взрыва. Благодаря этим экспериментам мы получим больше знаний об эволюции ранней Вселенной, что, в свою очередь, позволит нам лучше понять формирование звезд и галактик, когда Вселенная остывает и продолжает расширяться. В какой-то момент в присутствии космических лучей зарождается жизнь.
За прошедшие годы мне удалось использовать технологии этого проекта и разработать детекторы космических лучей для практического применения для решения самой насущной проблемы в мире — потепления климата.
Информация от: Государственным университетом Джорджии.
