Spørgsmål og svar:Kosmiske stråler, rumvejr og større spørgsmål om universet

Med det blotte øje kan du ikke se vejret i rummet eller føle de kosmiske stråler, der stråler ned til Jorden – men de kan påvirke kritiske systemer som vores klima, computerforbindelser, kommunikation og endda vores helbred.

Regents' professor i fysik og astronomi Xiaochun Han tager nogle af de store spørgsmål op ved at foretage måling af disse kosmiske stråler ved hjælp af de teknologier, der er udviklet i hans grundlæggende kernefysiske forskningsprojekter. Han og hans team måler, hvordan disse stråler påvirker jordens klima, hvordan de kan have spillet en rolle i universets oprindelse, og hvordan de kan spille en rolle, når kræft opstår i kroppen.

Her fortæller Dr. Han, hvad der inspirerede dette arbejde, og hvordan studier af kosmiske stråler kan gøre en indvirkning her på Jorden.

Hvad er rumvejr, og hvorfor skal vi overvåge det?

Rumvejr er en generel betegnelse for at beskrive solaktiviteter, herunder koronal masseudslyngning fra solen og ting som geomagnetiske storme. Alvorlige solstorme kan forårsage betydelige afbrydelser af vores kommunikationssystem, potentielt beskadige satellitter og påvirke f.eks. fjernstrømsnettet.

Er kosmiske stråler anderledes end rumvejr?

De fleste af de energiske kosmiske strålepartikler – hovedsagelig protoner – har en galaktisk oprindelse; nogle af dem kommer ind i solsystemet og bombarderer Jordens atmosfære. Disse kosmiske strålepartikler kolliderer med molekylerne i Jordens atmosfære omkring 15 kilometers højde og producerer sekundære partikler (kaldet kosmiske strålebyger).

De mest sekundære partikler, der når jordens overflade, er myonpartikler, som detekteres af vores detektorer. Rumvejr påvirker mængden af ​​kosmiske strålepartikler, der kommer ind i Jordens atmosfære, og derfor kan vi bruge dataene fra vores detektorer til at studere ændringerne i rumvejret.

Dit team har udviklet kosmiske stråledetektorer til at indsamle kritiske målinger, inklusive rum- og jordvejrovervågning. Hvad er målet med dette arbejde?

Myondetektorerne for kosmisk stråle er udviklet af mig og mine elever i Nuclear Physics Group i Georgia State.

Fra i dag har vi installeret to detektorer i Sri Lanka, en i Singapore og en i Colombia uden for USA. Vi har også detektorer installeret ved CHARA Array på Mount Wilson, Californien, og ved Apache Point Observatory i New Mexico .

Den nuværende plan er at installere yderligere to detektorer i Afrika og en i Serbien inden udgangen af ​​denne sommer. Mit langsigtede mål er at installere mindst én detektor i hvert land i verden, forhåbentlig, før jeg går på pension fra Georgia State.

Hvad gør disse detektorer unikke og vigtige?

Nøglefunktionerne i vores detektor inkluderer bærbarhed, lav pris, nem installation og dataindsamling. I betragtning af det faktum, at prisen på detektoren er billigere end prisen på en iPhone, er det praktisk muligt at installere disse detektorer til mange steder i hele verden.

Hvordan hjælper disse detektorer med at indsamle data om, hvordan vores klima ændrer sig?

Klimaopvarmningen forårsager udvidelse af atmosfæren til højere højde og ekstreme vejrbegivenheder verden over. Disse ændringer påvirker mængden af ​​kosmiske strålepartikler, der registreres af vores detektorer.

Ved at analysere dataene håber vi at udvikle en robust model til at overvåge de ekstreme vejrmønstre og ændringerne i klimaet på Jorden. Det vil tage år at nå dette mål. I øjeblikket udvikler vores studerende aktivt maskinlæringsværktøjer til at analysere de eksisterende data. Fremskridtene vil udvikle sig, efterhånden som flere detektorer kommer online.

En del af dit arbejde inkluderer et projekt, der vil designe detektorer til en mikro-satellit NASA-mission. Fortæl os mere om dette arbejde.

Både rummet og jordens vejr vil påvirke antallet af partikler, der registreres af vores detektorer. I mange tilfælde er det en udfordring at adskille disse effekter. En af ideerne er at placere en mindre detektor ved den lave bane om Jorden til at mærke rumvejrhændelser.

Sidste år besøgte Dr. Ashwin Ashok og jeg NASA Ames Research Center og udviklede en prototype efter NASAs CubeSat-specifikationer. Ifølge vores venner hos NASA håber vi, at prototypen kan opsendes i rummet i 2025.

Ud over den indvirkning, kosmiske stråler kan have på atmosfæren, tror du, at de endda kan spille en rolle for menneskers sundhed. Kan du dele noget af det arbejde, du er interesseret i?

Kosmiske stråler eksisterede længe før livet blev skabt på Jorden, som er en del af den naturlige baggrundsstråling, som mennesker oplever. Jeg tror, ​​at ioniserende stråling sandsynligvis er forbundet med kræftdannelse, og jeg vil gerne se mere forskning på dette område. Da kosmiske stråler er ioniserende stråling, der kan forårsage genmutation og dobbeltstrenget DNA-nedbrydning, er det vigtigt at forstå den rolle, kosmiske stråler spiller i livets udvikling på Jorden, hvilket er vigtigt for rumrejser.

Da de kosmiske strålebyger typisk forekommer et par kilometer over flyvehøjden for kommercielle flyvninger, modtages der desuden flere strålingsdoser af flybesætninger. I mange år havde jeg en geigertæller med mig, da jeg var på rejse og registrerede stigningen i strålingsniveauer for kosmisk stråling mellem 20 og 40 gange højere sammenlignet med niveauerne på jorden.

Jeg har længe været interesseret i at forstå sundhedseffekterne af disse øgede niveauer af stråling. I løbet af de sidste to år har jeg været i stand til at bruge vores egen detektor til at få en meget bedre måling af stigningen i den kosmiske strålestråling med betydelig statistisk nøjagtighed.

Du tror også, at disse detektorer kan hjælpe med at inspirere mellem- og gymnasieelever til at lære mere om STEM-forskning. Kan du dele mere om det?

Ud over min forskning er undervisningskurser og arbejdet med et team af dygtige kandidatstuderende nogle af de mest givende aspekter af mit arbejde. Efter dannelsen af ​​Cosmic RISE Team med vores tværfaglige fakultet ser vi en stor mulighed for at bruge den nyudviklede detektor til STEM-træning.

Detektoromkostningerne er overskuelige, og enhederne er både bærbare og nemme at betjene. Samtidig gør disse detektorer det muligt at fremme STEM-undervisning for elever på tværs af kulturelle forskelle og sprogbarrierer for elever, især dem i udviklingslande.

Sammen med dit arbejde med detektering af kosmiske stråler udfører du også forskning på Relativistic Heavy Ion Collider ved Brookhaven National Laboratory. Hvordan hænger det hele sammen?

Mit vigtigste forskningsprojekt, som højenergikernefysiker, er at kollidere guldkerner nær lysets hastighed ved hjælp af Relativistic Heavy Ion Collider ved Brookhaven National Lab, som er blevet støttet af det amerikanske energiministerium siden 1998. Jeg er taknemmelig. at have været i stand til at samle et verdensklassehold af atomfysikere i Georgia State, herunder Murad Sarsour, Megan Connors og Dr. Yang-Ting Chien.

Tanken er, at den materietilstand, der skabes fra de kolliderende kerner, er så varm og tæt og ligner meget stoftilstanden få mikrosekunder efter Big Bang. Gennem disse eksperimenter vil vi få mere viden om udviklingen af ​​det tidlige univers, hvilket igen giver os mulighed for at få en bedre forståelse af dannelsen af ​​stjerner og galakser, når universet afkøles og fortsætter med at udvide sig. På et tidspunkt, i nærvær af kosmisk strålestråling, skabes liv.

I årenes løb har jeg været i stand til at bruge teknologierne fra dette projekt og udvikle kosmiske stråledetektorer til praktiske anvendelser til at løse den mest presserende bekymring i verden – klimaopvarmning.

Leveret af Georgia State University