如何保护宇航员在月球上不受太空辐射

2019-08-14 03:43    来源:NASA中文爱好者团队

Credits: NASA

1972年8月,正如NASA科学家Ian Richardson所记得的那样,是炎炎夏日。他在英格兰萨里长大,田地是干燥的棕色,人们试图呆在室内:远离太阳,开着电视。但那个月的几天,他的电视画面一直断断续续。“不要调整设置,”他回忆起BBC的声明,“高温不会造成干扰,是因为太阳黑子(sunspots)。”

当年8月4日至7日破坏电视信号的太阳黑子同时也导致了巨大的太阳耀斑(solar flares),即来自太阳的强大能量爆发。在阿波罗16号和17号任务期间,月球探测器险些遇到太阳爆发。如果当时在轨道上或在月球表面,它们可能会经历由爆发引起的强烈辐射。今天,阿波罗时代的耀斑提醒人们,注意辐射对太空中技术和宇航员的威胁,了解并预测太阳爆发对太空探索的安全至关重要。

自1972年太阳风暴以来已有近50年的时间,NASA拥有的数据、技术、资源得到了改善,从而推动了空间天气预报和宇航员保护的发展,这是NASA Artemis计划(将宇航员送回月球)的关键。

太空辐射是宇航员安全登月的关键因素。NASA正在探索各种方法和技术以缓和太空旅行期间不同类型的辐射。

Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Joy Ng

太空不是空的

如今,Richardson已是NASA戈达德太空飞行中心(位于马里兰州格林贝尔特)的科学家,他的研究方向正是太阳爆发产生的高能粒子。

除了耀斑之外,含有数十亿吨太阳物质的巨大的云偶尔会从太阳表面爆炸,称之为日冕物质抛射(coronal mass ejection)。越来越多的科学家认为,日冕物质抛射在驱动太阳最强大的辐射(太阳高能粒子,SEPs)中起主导作用。

太阳高能粒子几乎都是质子,运动速度很高,有些能在不到一个小时内到达1.5亿公里外的地球。“当一艘船高速驶过水面时,你可以看到船前方的波浪,”Richardson说,“同理,在快速日冕物质抛射前的冲击波加速了它们之前的粒子。”

辐射(Radiation)是电磁波(electromagnetic waves)或粒子(particles)携带的能量。太阳高能粒子存在危害,因为它们可以穿透皮肤,释放的能量会在途中弄碎细胞和DNA。这种损害会增加生命后期癌症的风险,极端情况下会在短期内引起急性放射病。

地球上的我们可以免受这种伤害:磁层(magnetosphere)可以偏转大多数太阳粒子,大气层可以减弱所有通过的粒子。国际空间站的轨道也在地球保护范围内,而且船体本身也有助于保护机组人员免受辐射。

蓝色表示的是地球的磁泡,称为磁层。磁层可以自然防御太空辐射,使大部分带电的太阳粒子偏离地球。

Credits: Andøya Space Center/Trond Abrahamsen

但是,地球磁层外的探险者依然面对强烈的太空辐射。“无论是在轨道、运输途中、还是行星表面,都存在着辐射的危险,”NASA人类太空飞行计划的戈达德工程师Ruthan Lewis说,“从防御技术到封闭性保护,我们在宇航员所处的每个环境中都在考虑这个问题。”

太空救生员

在休斯顿的约翰逊航天中心,一个充满电脑屏幕和闪烁灯光的房间里,科学家们每天轮班工作,为太空站宇航员监测太空天气状况,他们被称为太空环境官员(space environment officers)。这些科学家是太空的救生员:他们要时刻注意空间辐射的涨落。

每天, 约翰逊空间辐射分析小组的科学家要检查国家海洋和大气管理局空间天气预报中心的空间天气预报。他们负责警告任务控制小组潜在的太阳活动。如果太阳高能粒子活跃并且空间站恰好在地球磁层的保护外,他们可能会建议推迟需要离开安全站点的活动。无论宇航员在哪儿,团队都会密切关注他们处于的太空环境。

约翰逊的科学家Kerry Lee 表示,“我们的策略是利用任何可用的质量。”机组人员和辐射之间的质量越大,危险粒子在到达机组人员之前就越有可能把能量用光。在月球上,宇航员可以利用附近的天然屏蔽材料,比如将月球土壤或风化土堆积在他们的避难所上。但是在航天器设计方面,依靠这种保护会很昂贵,因为更多的质量需要更多的燃料才能发射。

约翰逊团队正致力于开发无需添加更多材料的屏蔽方法。“我们不太可能专门带屏蔽辐射的质量上飞船,”Lee说,“我们带的每件物品必须是多用途的。”

他们为猎户座飞船上的宇航员设计了一个计划,可以通过已有的物品建立一个临时避难所,包括存储单元、食物和水。如果发生与阿波罗时代一样强大的太阳爆发,飞船上的工作人员可以安然无恙。

猎户座飞船副卫生和医疗技术负责人Jessica Vos(前)和宇航员Anne McClain(后)在航天器中中展示辐射防护计划。在太阳高能粒子活动期间,船员将使用积载袋(stowage bags)来建立一个防辐射棚。

Credits: NASA

NASA的其他团队也在为应对辐射挑战研究解决方案,比如开发背心和设备以增加质量,还有可以偏转辐射的带电平面。

太阳高能粒子

为保护宇航员,科学家需要知道太阳粒子风暴什么时候发生。但粒子难以预测,我们并未完全了解太阳湍流爆发的本质。

“理想情况下,你可以观察太阳上的一个活跃区域,看它是如何演变的,并试着预测它何时爆发,”Richardson解释道,“但问题是,即使你可以预测耀斑和日冕物质抛射,实际上只有一小部分太阳活动会产生对宇航员有害的粒子。”

而且,就算我们知道太阳高能粒子何时爆发,因为受磁场影响,我们也很难预测它们的去向。磁场线是带电粒子的高速公路,但随着太阳旋转,磁场线呈螺旋状。场线中的扭结会迫使一些粒子“下高速”,所以它们可能在太阳系的任何一个角落。

“要达到地球上的天气预报的精确度,我们还有很长的路要走,”戈达德社区协调建模中心(CCMC)的科学家Yari Collado-Vega说道,“我们还需要更多关于太阳的数据集。”

1972年8月7日,加州的大熊湖太阳天文台(Big Bear Solar Observatory)捕捉到了太阳耀斑。这个特殊的耀斑因形状被称为“海马耀斑(seahorse flare)”,引发了一场强烈的太阳高能粒子事件。

Credits: NASA

预测太阳高能粒子的模型还处于开发的早期阶段。科学家利用更轻、更快、更早到达的电子来预测随后更重、更加危险的质子洪流。

科学家们靠NASA太阳物理学(heliophysics)任务来推进他们的太空天气预报模型。飞行器处于太阳和地球之间不同的位置,有利于相关研究。NASA的派克太阳探测器(Parker Solar Probe)于2018年发射,离太阳非常近,将在太阳高能粒子诞生的地方跟踪它们,有助于了解太阳爆发是如何加速粒子的。

时机也是一个因素:太阳经历11年的高低活动周期。在太阳活动最频繁的时期,大量太阳黑子以及高磁张力区域已经蓄势待发。相反,在不活跃的时候,几乎没有太阳黑子,爆发也很少见。

在科学家们不断改进他们模型的同时,NASA的太阳物理航天器能够为宇航员提供“警报解除”的信号。如果太阳上没有活跃的太阳黑子,他们可以确信不会发生太阳风暴。

隔壁星系的辐射

第二种空间辐射比太阳高能粒子传播得更远。银河宇宙射线(Galactic cosmic rays),来自银河系其他地方、很久之前爆炸恒星的粒子,不断以接近光速的速度轰击太阳系。如果太阳高能粒子是一场突如其来的倾盆大雨,银河宇宙射线更像是一场持续的细雨,但毛毛雨也会令人讨厌。

宇宙射线往往比最高能的太阳粒子更强大。可以防御太阳高能粒子的太空船无法对付宇宙射线,因此宇宙射线是一个严重的问题。特别是对于长途飞行任务,比如前往火星,单程就需要6至10个月。

太阳高能粒子确实很难预测,但银河宇宙射线却稳定得多。在一秒钟内,大约90个宇宙射线击中一个高尔夫球大小的空间。(对比之下,在太阳高能粒子活动期间,同体积大约有1000多个粒子。)这个速率有助于确定辐射的强弱以及任务持续时间。NASA会追踪每位宇航员的个人剂量,以确保他们不会超出终身所能接受辐射的极限。

宇宙射线由重元素(氢以外的元素)组成,如氦、氧、铁,这些粒子撞击原子时会将其撞开,引发更多粒子,这种情况被称为二次辐射,进一步增加了宇宙射线带来的健康隐患。

宇宙射线的出现也与太阳周期有关。在太阳活动相对平静时,宇宙射线很容易渗入太阳磁场;而在太阳活动高峰,较强的太阳磁泡会阻挡相当一部分宇宙射线。

这张图显示了太阳系以及太阳远远超出太阳系的磁泡(日光层,heliosphere)。明亮的条纹代表宇宙射线。在太阳活动高峰,随着日光层的增强,它会阻挡更多宇宙射线。

Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab

目的地:先月球,后火星

登月将帮助NASA收集关键数据、开发必要的工具和策略,以便未来可以安全地将人类探险者送往火星。前往火星要需要更久,船员也将面临更多的辐射。此外,不像地球,火星没有磁场来转移辐射。

“我们登上月球的原因之一是为火星做准备,”Lewis说。持续的月球探测将有助于确定我们是否拥有必要的技术,能在长期太空旅行中保护宇航员。“我们做了很多次模拟,现在开始进行实验了。”