NASA的银河宇宙射线模拟器 –在地球上研究太空辐射的影响

编者按：

网站邀请科学家撰写系列文章，从孩子的角度，认识科学世界的神秘和奇妙。今天，墨子沙龙继续为大家编译美文。

宇航员是我们人类认识宇宙的先驱，在我们大多数人类不便到达的外太空，宇宙射线可能对他们造成难以想象的危害。今天，我们就来看看，科学家如何在地球上研究宇宙射线的影响，并想办法降低这些危害。

摘要

地球的大气层和天然磁场有效地屏蔽了太空辐射对我们的影响。太空辐射不同于地球上的辐射，地球上的辐射主要来自岩石和土壤中的物质，或像X光检查之类的医疗程序。太空辐射来自太阳释放的粒子或太阳系外恒星爆炸（超新星）产生的粒子。这些粒子在太空中加速到接近光速，电子被剥离。NASA面临的最大挑战之一是保护宇航员免受这些高能粒子（银河宇宙射线，Galactic cosmic rays，简称GCRs）的影响，因为它们会导致癌症和其他疾病。为了理解GCRs造成的生物损伤并制定保护宇航员的方法，NASA在地球上建造了银河宇宙射线模拟器。

什么是银河宇宙辐射？

银河宇宙射线（GCRs）是人类进行长时间太空旅行时所面临的主要的辐射危害。GCRs来自我们的太阳系之外，可能是由超新星形成的——恒星在其生命尽头时发生的大爆炸。地球上的辐射源通常包括伽马辐射和X射线（和医生或牙医用的一样），而GCRs由元素周期表中从氢到铀的各种元素的原子核组成。当一个原子的所有电子都被剥离时，它们被称为完全电离粒子。GCRs移动得非常快——一些粒子的速度接近光速。太空辐射被称为混合场辐射，这意味着它包含各种粒子，且它们都以不同的速度运动。这些高能粒子来自太空中的各个方向，与地球上发现的辐射类型相比，它们对生物体的破坏性更大（如图1所示）。了解这种差异对于评估我们的宇航员所面临的健康风险至关重要[1]。

图1 - 银河宇宙射线包含重离子，这些离子可以穿过人体细胞并造成DNA损伤（紫色），相比地球上的辐射，如X射线或伽马辐射，这种损伤更难被人体修复（图片由NASA提供）。

宇航员的辐射暴露量有多少？

宇航员每天接触到的银河宇宙射线（GCRs）不仅取决于他们航天器提供的屏蔽程度，还取决于他们任务的时长以及在太阳系中的位置。如果靠近地球，例如国际空间站（ISS）上的宇航员受到了地球保护性磁场的明显保护。而对于前往月球和火星的任务，最大的辐射暴露发生在更远的太空中。一旦登陆月球或行星表面，月球或行星的质量将保护宇航员免受一半的GCRs。在火星上，大气层还提供了额外的保护。除了航天器提供的屏蔽外，人体组织本身对关键器官也提供了一定程度的保护。

为了估算宇航员的辐射暴露量，NASA使用一系列工具和测量方法来计算达到敏感器官（如肺部、心脏和大脑）的辐射量。下一步可以根据接收的辐射剂量和类型估算生物损伤的程度。生物损伤通常使用单位希沃特（Sv）来描述。宇航员的辐射暴露范围从短期航天飞机任务约20毫西弗（mSv，即10-3Sv），到在ISS上长期逗留超过300 mSv。进行为期30天的月球任务的宇航员将接受约40 mSv的辐射暴露，而进行将近3年的火星任务的辐射暴露则约为1,200 mSv。与地球上平均年度暴露量小于3 mSv的工作人员相比，宇航员接受到的辐射是所有现代辐射从业者中最高的。

对于执行长期太空任务的宇航员，辐射健康风险是什么？

宇航员在执行太空任务期间以及任务完成后的很长时间内都面临来自银河宇宙射线（GCRs）的辐射风险。诸如火星任务这样的高辐射暴露任务期间，主要的风险是大脑可能发生的变化，会导致飞行过程中表现较差。太空飞行后，宇航员面临更多的疾病风险，包括血液癌（如白血病）、实体癌（如肺部或消化系统肿瘤）、与心脏相关的疾病，以及晚年可能恶化的与大脑相关的疾病（有关宇航员面临的健康风险的更多细节，请参阅文章）。NASA正在努力加深对飞行期间及长期健康风险的理解，以便更好地保护宇航员免受这些风险的影响。

如何在地球上模拟太空辐射？

了解宇航员面临的辐射威胁的方法之一是在地球上进行研究。但是，正如我们之前提到的，地球上的辐射与太空中的辐射是不同的。因此，首先，我们必须找到在地球上重现太空辐射的方法。我们需要大型粒子加速器装置来加速粒子到足够高的能量，以模拟太空环境。然而，这些设施一次只能产生一种类型的粒子——正如我们提到的，太空辐射是一个包含了周期表中几乎所有元素的混合辐射场！这导致在地球上模拟太空辐射非常困难。

2003年，NASA开始使用布鲁克海文国家实验室的NASA太空辐射实验室（NSRL）进行其地面重离子研究（图2）。在这里以及世界各地，大多数暴露于太空辐射的健康风险研究都是使用单一能量的单一粒子。在过去的十年中，对NSRL进行的不断升级使它更加接近太空辐射暴露。今天，该设施可以在单个辐射实验中每2-4分钟切换一种粒子类型，提供多种类型和能量的粒子[3]。虽然粒子能量仍远低于航天器外的GCR场，但NSRL能够模拟宇航员在航天器内遇到的各种类型和能量的GCR粒子，这些粒子在穿过航天器的屏蔽层时已显著减速。

图2 -

(A) 纽约长岛的卫星图像，布鲁克海文国家实验室所在地。(B) 航拍照片显示产生高能离子所需的大型加速器设施。顶部的“RHIC”环的周长为2.4英里，以示比例。NSRL使用一个“助推器”环，其周长约为286英尺，并且内部布满了强力磁铁以加速离子。

(C) NSRL的目标室内部，进行实验的地方（图片由BNL提供）。

图3 -从固体和气体源中产生和加速离子的复杂的系统和设备。

(A) 使用激光蒸发高纯度固体靶材以产生模拟所需的离子。靶材支架尺寸为25厘米乘以6厘米。铁靶材大致与美国25美分硬币大小相当。

(B) 电子束离子源进一步剥离这些离子的电子，然后将其送入加速器的“助推器环”，加速离子束至高能量。

(C) 为了产生最低能量的离子束，通过在束线中插入聚乙烯片来减慢某些离子的速度（图片由BNL提供）。

NASA如何使用这个模拟器？

NASA正在利用银河宇宙射线（GCR）模拟器制定保护策略，以减少对宇航员健康的影响，并确保他们在未来的长期任务中保持最佳状态。尽管我们从国际空间站（ISS）的宇航员那里了解了很多，但关于宇航员面临的辐射健康风险，特别是在火星任务期间将经历的大剂量辐射暴露，仍有许多细节未知。在可控条件下，GCR模拟器使研究人员能够在地球上进行混合场辐射研究。研究团队正在利用细胞和实验动物系统，以及先进的组织“芯片”技术，研究混合场辐射的影响。NASA将利用这些结果更好地估计辐射健康风险，并在需要时更新辐射暴露限制。GCR模拟器还可以让科学家测试保护宇航员的方法。多个研究团队目前正在测试各种药物和膳食补充剂（如抗氧化剂和抗炎药物）的有效性，以减少对敏感组织的辐射损伤。

还有哪些主要的模拟挑战？

仍然有太空辐射的重要问题需要科学家们回答。关键挑战包括确定银河宇宙射线（GCR）模拟器是否足够精确地模拟太空中的辐射环境，以准确预测对人类健康的影响。科学家们仍在学习如何正确进行这些测试，并致力于更好地模拟深空辐射暴露，包括确定哪些动物和细胞类型提供了关于人类如何应对太空辐射的最佳信息。预计研究结果将很快出现，并将帮助NASA保护那些正在进行太空探索的勇士们。

术语表

银河宇宙射线：高能粒子，包括质子和重离子，在太空中以接近光速的速度移动。

伽马辐射：一种高能电磁辐射形式，波长较短，由原子核的放射性衰变产生。

全电离粒子：被剥离所有电子的原子。

重离子：带电数大于3的元素核，如氧、碳或铁，由于它们的某些或所有（全电离）行星电子已被剥离而呈正电荷。

次级辐射：由主要太空辐射与屏蔽物相互作用产生的辐射，包括中子。

希沃特（Sv）：辐射生物损伤的衡量单位，反映给定剂量辐射的生物学影响。

粒子加速器：一种利用电磁场将带电粒子加速到非常高速度和能量的机器。

抗氧化剂：人造或天然物质，可以防止或延缓自由基或不稳定分子引起的某些类型细胞损伤。

作者简介

Lisa Simonsen（丽莎·西蒙森）

丽莎·西蒙森博士是美国华盛顿特区NASA总部的空间辐射系统集成高级科学家。她的工作是确认减少宇航员辐射暴露相关的研究和技术开发，在最小化健康风险的同时推进NASA的任务目标。此外，西蒙森博士为纽约厄普顿的NASA空间辐射研究实验室提供技术指导，这是一个进行生物研究和电子测试的实验室。西蒙森博士于1997年在弗吉尼亚大学（夏洛茨维尔，弗吉尼亚州）获得核工程和健康物理学博士学位。

Tony Slaba（托尼·斯拉巴）

托尼·斯拉巴博士是位于弗吉尼亚州汉普顿的NASA兰利研究中心的物理研究员。他是NASA空间辐射传输代码的主要开发者，该代码用于评估航天器的屏蔽效果和宇航员的保护措施。斯拉巴博士和同事们开发了在NASA地面加速器装置模拟太空辐射环境，进行放射生物学实验的新技术。斯拉巴博士还致力于改进和更新NASA用于预测宇航员因空间辐射暴露而产生的终生癌症风险的模型。斯拉巴博士于2007年在奥多明尼大学获得计算与应用数学博士学位。

小审读员

Jiarui

年龄：15岁

我叫嘉瑞，是中国一所中学的九年级学生。我在全国英语演讲比赛中获奖，并获得了编码的省级奖项。我喜欢弹钢琴，已经以优异的成绩获得了ABRSM八级证书。我对物理学充满热情。我还喜欢烘焙和烹饪。我喜欢狗，家里养了两只贵宾犬。

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关于Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds 创刊于2013年，是瑞士Frontiers出版社专为孩子们创办的科学期刊，也是Frontiers花费多年心血培育的纯公益项目。

它的运作模式和科技期刊完全相同，旨在从青少年时代即培养孩子们的科学思维，并提供与世界一流科学家交流的机会。截至目前，有大约3500名青少年审稿人参与评审，大约600名科学导师来指导他们的审稿流程。

Frontiers for young minds的750篇文章已获得1000多万次浏览和下载，拥有英语、希伯来语和阿拉伯语三个版本。期刊编辑委员会目前由来自64多个国家的科学家和研究人员组成。

Frontiers for Young Minds的内容包含了天文学和空间科学、生物多样性、神经科学、污染防治和心理健康等相关内容。虽然期刊的读者是青少年，但Frontiers for Young Minds中发表的所有研究都基于坚实的循证科学研究。

原文：

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