Содержание
Радиация, лунная пыль и автономное существование | Space Research Institute
Профессор Бинсянь Ло (Bingxian Luo, Национальный центр космической науки Китайской академии наук) рассказал о результатах моделирования трехлетней миссии на Марс, которая включает годовой полет на планету, год пребывания на её поверхности и годовой же этап возвращения для сценариев максимальной и минимальной солнечной активности. Полученные данные об уровнях космической радиации были пересчитаны также в биологически активные дозы. Один из выводов работы состоит в том, что выбросы частиц во время солнечных протонных событий могут быть даже опаснее потоков галактических космических лучей. Для планирования реальной миссии, безусловно, требуются дальнейшие исследования.
Профессор Иоаннис Даглис (Ioannis Daglis, Греческий космический центр) подчеркнул, что кроме биологических эффектов, для которых можно рассчитать «пороговые дозы», есть отложенные последствия, возникающие стохастически, для которых нет «пороговых» значений опасных факторов.
Кроме этого, космическая радиация опасна и для техники. Уже сейчас мы можем изучать действие опасных космических факторов с помощью автоматических миссий в межпланетном пространстве.
Сегодня более или менее хорошо изучено пребывание на низкой околоземной орбите. Земное магнитное поле и атмосфера достаточно хорошо защищают нас от космической радиации, но и в околоземном космосе есть области, где ни человеку, ни даже спутникам лучше не находиться долго — это радиационные пояса Земли.
Защититься же от космической радиации не так просто. Владимир Калегаев (Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ им. Д.Н. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова) назвал несколько подходов к радиационной защите. Первое, что приходит в голову, — использовать в качестве «щита» как можно более толстый и/или плотный материал, но, к сожалению, заряженные частицы, попадая в такую «стенку», рождают потоки вторичных частиц, не менее, а то и более опасных, чем изначальные. Разработка материалов, которые были бы безопасны для космонавтов внутри, — одна из задач «повестки дня» космических материаловедов. Есть и другие «технологические» методы: использование магнитных полей или электростатических эффектов, — но они находятся на стадии идей.
Кроме радиации, есть проблема невесомости или, если говорить точнее, тех эффектов, которые вызывает в организме отсутствие силы тяжести. Физические упражнения космонавтов нацелены на то, чтобы смягчить действие невесомости, но некоторые проблемы невозможно решить тренировками. Так, профессор Ханнс-Кристиан Гунга (Hanns-Christian Gunga, Центра космической медицины и экстремальных условий, Германия) кратко рассказал, в частности, о динамике жидкости в человеческом организме и проблеме перегрева — гипертермии, которая может возникнуть при физических нагрузках из-за того, что в невесомости механизмы регулировки температуры не работают так, как на Земле.
Человеку на поверхности Луны будут угрожать не только радиация, но и лунная пыль, о которой пока известно совсем мало. С лунной пылью столкнулись астронавты во время кратких экспедиций «Аполлон», но насколько эта пыль токсична, какие эффекты она может вызывать в человеческом организме, насколько она опасна для техники, — количественных данных об этом ещё не было. Поэтому эксперименты по изучению лунной пыли включены в программу научных исследований российских лунных миссий «Луна-25» и «Луна-27».
Наконец, как подчеркнул академик Олег Орлов (Государственный научный центр Институт медико-биологических проблем РАН), при подготовке будущих экспедиций встаёт проблема их полной автономности. Вполне вероятно, что медицинская организация длительных экспедиций за пределы низкой земной орбиты не будет похожа на то, как это происходит сейчас на космических станциях, в частности, будет более персонализирована.
Подводя итог дискуссии, Анатолий Петрукович заметил, что «мы привыкли “недооценивать” нашу среду обитания. В космосе не бывает незначительных вещей. Мы можем не замечать чего-то, пока находимся на Земле, но в космосе это станет критичным».
Тем не менее, в ответах на вопрос, сколько времени человек сможет провести в космосе, участники сессии оказались оптимистами и согласились в том, что уже в ближайшие годы человек вполне сможет провести за пределами Земли, в космическом пространстве или на поверхности планеты, несколько лет.
***
Галактические лучи помогут ориентироваться в пространстве
Космическая радиация, характерная для межпланетного пространства, может быть пагубной как для материалов, так и для живых объектов. Это излучение способно проникать через физические преграды, и средств эффективной защиты от него пока нет. Для будущего полёта к Марсу и других дальних космических миссий с участием человека необходимо знать, как космические лучи влияют на живые организмы. Поэтому многие лаборатории мира занимаются этой проблемой.
Обучение экспериментальных групп животных в водном лабиринте Морриса. Из рисунка видно, что обучаемость облучённых молодых крыс оказалась лучше. Рисунок Виктора Кохана.
Открыть в полном размере
‹
›
Непосредственно воздействие космических лучей на организмы изучать невозможно, так как орбитальные полёты происходят на относительно небольшой высоте над поверхностью Земли, где среда отличается от межпланетного пространства. Поэтому воздействие космической радиации моделируют в лабораторных условиях, а опыты проводят преимущественно на грызунах. Ранее в ходе подобных опытов уже выяснили, что галактические лучи могут оказывать не только негативное воздействие, но и положительное. Например, эксперименты показали, что облучённые грызуны демонстрируют более высокие результаты в когнитивных тестах и лучше ориентируются в пространстве, чем их собратья из контрольной группы. Однако механизм этого явления оставался неизвестным.
Сотрудники Национального медицинского исследовательского центра психиатрии и наркологии им. В. П. Сербского, Объединённого института ядерных исследований и Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова решили выяснить причины положительного влияния космических лучей. Они подвергали крыс воздействию радиации, сравнимой по составу и дозам с той, что получили бы космонавты за время 860-дневной межпланетной миссии (для сравнения — полёт до Марса в одну сторону занял бы около 180 дней). Контрольную группу грызунов содержали в идентичных условиях по влажности, температуре, световому дню и кормлению, но воздействию радиации их не подвергали.
Облучали животных комбинацией тяжёлых заряженных частиц с гамма-лучами. Сразу после облучения животных, как из контрольной группы, так и экспериментальной, разделили на две подгруппы и провели серию когнитивных тестов, после которых молодых особей исследовали с помощью МРТ. На 25-й день после облучения исследователи отобрали образцы мозга у всех молодых крыс. Вторую группу животных тестировали уже в зрелом возрасте — на 211 день после облучения, а на 242-й отобрали образцы их мозга для дальнейших молекулярных исследований.
Эти тесты подтвердили результаты предыдущих исследований. Подвергшиеся радиации крысы демонстрировали более высокие показатели в тестах на ориентирование в пространстве по сравнению с контрольными животными. Правда, после облучения крысы стали более тревожными, однако этот эффект у зрелых животных нивелировался. Молекулярные исследования мозга обнаружили, что у крыс из контрольной и опытной групп в мозге были разные концентрации глутамата и гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК). Эти вещества выполняют функцию нейромедиаторов в центральной нервной системе: глутамат — возбуждающий нейромедиатор, а ГАМК — тормозной. Как полагают учёные, именно изменение баланса этих нейромедиаторов-антагонистов и обусловливает разницу в поведении крыс. Снижение уровня ГАМК вызывает растормаживание центральной нервной системы (ЦНС), что сопровождается усилением двигательной активности, ситуативной тревоги и повышением производительности обучения в когнитивных тестах. Важно, что с течением времени баланс глутамат/ГАМК у облучённых животных восстанавливается — за счёт снижения уровня глутамата. Таким образом, исследователи не выявили серьёзных нарушений в функционировании нейронных систем, использующих глутамат и ГАМК. Одновременно ионизирующее излучение вызывает глубокое ремоделирование нервной ткани, что положительно сказывается на ЦНС.
По мнению авторов исследования, эти результаты снимают «биологический» лимит с дальних космических миссий. Более того, раскрытие механизмов позитивного действия ионизирующего излучения на функции центральной нервной системы может помочь в разработке новых терапевтических подходов к лечению нейродегенеративных и психических заболеваний. Ведь изменение баланса глутамат/ГАМК сопутствует ряду нейродегенеративных и психических заболеваний.
Исследование было поддержано Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ).
По информации пресс-службы МГУ им. М. В. Ломоносова.
миссий НАСА исследуют революционный космический взрыв — ScienceDaily
11 декабря 2021 года обсерватория Нила Герелса Свифта НАСА и космический гамма-телескоп Ферми обнаружили вспышку высокоэнергетического света на окраинах галактики около 1 миллиарда световых лет от нас. Это событие потрясло понимание учеными гамма-всплесков (GRB), самых мощных событий во Вселенной.
Последние несколько десятилетий астрономы обычно делят гамма-всплески на две категории. Длинные всплески испускают гамма-лучи в течение двух секунд и более и возникают в результате образования плотных объектов, таких как черные дыры, в центрах массивных коллапсирующих звезд. Короткие всплески испускают гамма-лучи в течение менее двух секунд и вызваны слияниями плотных объектов, таких как нейтронные звезды. Ученые иногда наблюдают короткие вспышки с последующей вспышкой видимого и инфракрасного света, называемой килоновой.
«Этот всплеск, названный GRB 211211A, изменил парадигму, поскольку это первый длительный гамма-всплеск, связанный с возникновением слияния нейтронных звезд», — сказала Джиллиан Растинежад, аспирант Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс. который руководил одной командой, изучавшей всплеск. «Всплеск высокой энергии длился около минуты, и наши последующие наблюдения привели к идентификации килоновой звезды. Это открытие имеет глубокие последствия для того, как появились тяжелые элементы во Вселенной».
Классический короткий гамма-всплеск начинается с двух вращающихся вокруг нее нейтронных звезд, раздавленных остатков массивных звезд, взорвавшихся как сверхновые. По мере того, как звезды приближаются друг к другу, они лишают друг друга материала, богатого нейтронами. Они также генерируют гравитационные волны или рябь в пространстве-времени, хотя в этом событии ничего не было обнаружено.
В конце концов нейтронные звезды сталкиваются и сливаются, создавая облако горячих обломков, испускающих свет на нескольких длинах волн. Ученые предполагают, что струи высокоскоростных частиц, запускаемые при слиянии, производят первоначальную вспышку гамма-излучения до того, как столкнутся с обломками. Тепло, выделяемое радиоактивным распадом элементов в обломках, богатых нейтронами, вероятно, создает видимый и инфракрасный свет килоновой. Этот распад приводит к производству тяжелых элементов, таких как золото и платина.
«Много лет назад Нил Герелс, астрофизик и тезка Свифта, предположил, что слияние нейтронных звезд может вызвать несколько длинных вспышек», — сказала Элеонора Троя, астрофизик из Римского университета, возглавлявшая другую группу, изучавшую всплески. «Килонова, которую мы наблюдали, является доказательством того, что слияния связываются с этими длительными событиями, заставляя нас переосмыслить то, как образуются черные дыры».
Ферми и Свифт одновременно обнаружили всплеск, и Свифт смог быстро определить его местоположение в созвездии Волопаса, что позволило другим объектам быстро отреагировать на последующие наблюдения. Их наблюдения дали самое раннее представление о первых стадиях килоновой.
Многие исследовательские группы углубились в наблюдения, собранные Swift, Fermi, космическим телескопом Хаббла и другими. Некоторые предполагают, что странности вспышки можно объяснить слиянием нейтронной звезды с другим массивным объектом, например, с черной дырой. Событие также произошло относительно близко по стандартам гамма-всплеска, что, возможно, позволило телескопам уловить более слабый свет килоновой. Возможно, какие-то далекие длинные вспышки тоже могли породить килоновые звезды, но мы не смогли их увидеть.
Свет после вспышки, называемый послесвечением, также проявлял необычные свойства. Ферми обнаружил гамма-лучи высокой энергии, начинающиеся через 1,5 часа после вспышки и продолжающиеся более 2 часов. Эти гамма-лучи достигли энергии до 1 миллиарда электрон-вольт. (Энергия видимого света составляет от 2 до 3 электронвольт, для сравнения.)
«Это первый раз, когда мы наблюдаем такой избыток высокоэнергетического гамма-излучения в послесвечении слияния. Обычно это излучение уменьшается. со временем», — сказал Алессио Мей, докторант Научного института Гран-Сассо в Аквиле, Италия, который возглавлял группу, изучавшую данные. «Возможно, эти высокоэнергетические гамма-лучи исходят от столкновений между видимым светом от килонова и электронами в струях частиц. Эти струи могут быть ослабляющими от первоначального взрыва или новыми, питаемыми образовавшейся черной дырой или магнетаром».
Ученые считают, что слияния нейтронных звезд являются основным источником тяжелых элементов во Вселенной. Они основывали свои оценки на частоте коротких вспышек, которые, как считается, происходят в космосе. Теперь им нужно будет учитывать и длинные очереди в своих расчетах.
Группа под руководством Бенджамина Гомперца, астрофизика из Бирмингемского университета в Соединенном Королевстве, изучила всю кривую блеска высоких энергий или эволюцию яркости события во времени. Ученые отметили особенности, которые могут дать ключ к выявлению подобных инцидентов — длительных всплесков слияний — в будущем, даже более тусклых или отдаленных. Чем больше астрономы смогут найти, тем больше они смогут уточнить свое понимание этого нового класса явлений.
7 декабря 2022 года в научном журнале Nature были опубликованы статьи Растинежада, Тройи и Мэй, а в журнале Nature Astronomy опубликована статья Гомперца.
«Этот результат подчеркивает важность совместной работы наших миссий и с другими для обеспечения многоволнового наблюдения за такими явлениями», — сказала Регина Капуто, ученый проекта Swift, из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «Подобные скоординированные усилия намекнули, что некоторые сверхновые могут производить короткие вспышки, но это событие — последний гвоздь в гроб простой дихотомии, которую мы использовали годами. Никогда не знаешь, когда можно обнаружить что-то удивительное».
Центр космических полетов имени Годдарда НАСА управляет миссиями Swift и Fermi.
Swift является результатом сотрудничества с Penn State, Лос-Аламосской национальной лабораторией в Нью-Мексико и Northrop Grumman Space Systems в Даллесе, штат Вирджиния, при важном участии партнеров из Великобритании и Италии.
Fermi является результатом сотрудничества с Министерством энергетики США при важном участии партнеров из Франции, Германии, Италии, Японии, Швеции и США.
Космический телескоп Хаббл — проект международного сотрудничества между НАСА и ЕКА (Европейское космическое агентство). Годдард управляет телескопом. Научный институт космического телескопа (STScI) в Балтиморе проводит научные операции. STScI управляется для НАСА Ассоциацией астрономических университетов в Вашингтоне, округ Колумбия.
Оценки доз радиации в космосе на основе текущих данных
1963; 1:48-94.
Т Фельше
1
принадлежность
- 1 Исследовательский центр НАСА в Лэнгли, Хэмптон, Вирджиния, США.
PMID:
12056428
Т Фельше.
Life Sci Space Res.
1963.
. 1963; 1:48-94.
Автор
Т Фельше
1
принадлежность
- 1 Исследовательский центр НАСА в Лэнгли, Хэмптон, Вирджиния, США.
PMID:
12056428
Абстрактный
Представлен валовый обзор данных об излучении пояса Ван Аллена, галактическом космическом излучении и солнечном космическом излучении. На основе этих частично фрагментарных и неопределенных данных оцениваются верхний и нижний пределы доз радиации при различной степени массовой защиты. Оценки носят предварительный характер, особенно в случаях случайных встреч с протонами солнечных вспышек. Как правило, относительная биологическая эффективность высокоэнергетических космических излучений и их вторичных излучений недостаточно известна, чтобы дать подробные биологические или бэр дозы. Общая ионизационная доза галактического космического излучения низкого уровня в открытом космосе оценивается даже в годы минимума солнечной активности, эквивалентной менее 50 бэр в год или 1 бэр в неделю. Массовое экранирование до 80 г/см2 не уменьшит дозу ионизации, но защитит от тяжелых первичных и тяжелых ионизирующих вторичных частиц, тем самым снизив биологическую дозу. Поток энергичных протонов в зоне максимальной интенсивности внутреннего пояса Ван Аллена примерно на четыре порядка выше, их энергия и проникающая способность, конечно, ниже. Экран в 25 г/см2 снизит мощность дозы с 20 рад/час при 2 г/см2 до 5 рад/час. Эти мощности дозы протонов, а также мощности доз электронов и рентгеновского излучения при защите в несколько г/см2 из материала с низким числом z не будут представлять радиационной опасности для полетов прямо через внутренний и внешний пояс примерно за два часа. Однако пребывание в максимуме внутреннего пояса в течение двух дней привело бы даже в пределах 25 г/см2 глубины внешнего экрана и самого тела к дозе 200 рад, что находится на допустимом пределе. Экстремальные солнечные космические лучи или протонные потоки высокой интенсивности и продолжительностью в сутки происходили с частотой 1-4 раза в год в течение последнего высокоактивного цикла. За проникающее, наиболее интенсивное высокоэнергетическое событие 23 февраля 19 г.56, доза в пределах 25 г/см2 оценивается как порядка 50 рад. В большинстве случаев доза уменьшалась быстрее с глубиной проникновения и даже во многих случаях с такой высокой защитой была бы ниже критического уровня, особенно во внутренних органах. Только на поверхности тела и в легкоэкранированном космическом аппарате или защищенном скафандром доза может, особенно при многократном воздействии, достигать значений 1000 рад и более.
Похожие статьи
Экспериментальные измерения радиационной опасности, связанной с пилотируемыми космическими полетами.
Кларк Британская Колумбия, Адамс Д.А.
Кларк Б.С. и др.
Life Sci Space Res. 1965; 3:29-47.
Life Sci Space Res. 1965 год.PMID: 12035805
Корреляция мощности дозы и спектральных измерений во Внутреннем поясе Ван Аллена.
Теде А.Л., Радке Г.Е.
Теде А.Л. и соавт.
Life Sci Space Res. 1968;6:59-68.
Life Sci Space Res. 1968 год.PMID: 12206174
Дозы облучения и распределения ЛПЭ космических лучей.
