Kozmik ışınlar, uzay havası ve evrenle ilgili daha büyük sorular

Çıplak gözle uzaydaki hava durumunu göremezsiniz veya Dünya’ya yayılan kozmik ışınları hissedemezsiniz; ancak bunlar iklim, bilgisayar bağlantısı, iletişim ve hatta sağlığımız gibi kritik sistemleri etkileyebilir.

Vekillerin Fizik ve Astronomi Profesörü Xiaochun Temel nükleer fizik araştırma projelerinde geliştirilen teknolojileri kullanarak bu kozmik ışınların ölçümünü yaparak bazı büyük soruları yanıtlıyor. Kendisi ve ekibi, bu ışınların dünyanın iklimini nasıl etkilediğini, evrenin kökeninde nasıl bir rol oynamış olabileceğini ve kanserin vücutta ortaya çıkmasında nasıl bir rol oynayabileceğini ölçüyor.

Burada Dr. He, bu çalışmaya neyin ilham verdiğini ve kozmik ışınların incelenmesinin burada, Dünya üzerinde nasıl bir etki yaratabileceğini paylaşıyor.

Uzay havası nedir ve neden onu izlememiz gerekiyor?

Uzay havası, güneşten koronal kütle atılımı ve jeomanyetik fırtınalar gibi şeyler de dahil olmak üzere güneş aktivitelerini tanımlamak için kullanılan genel bir terimdir. Şiddetli güneş fırtınaları iletişim sistemimizde önemli kesintilere neden olabilir, potansiyel olarak uydulara zarar verebilir ve örneğin uzun mesafeli elektrik şebekesini etkileyebilir.

Kozmik ışınlar uzay havasından farklı mıdır?

Enerjik kozmik ışın parçacıklarının çoğu (esas olarak protonlar) galaktik bir kökene sahiptir; bazıları güneş sistemine girip Dünya atmosferini bombalıyor. Bu kozmik ışın parçacıkları, yaklaşık 15 kilometre yükseklikte Dünya atmosferindeki moleküllerle çarpışarak ikincil parçacıklar (kozmik ışın yağmurları adı verilen) üretirler.

Dünya yüzeyine ulaşan en ikincil parçacıklar, dedektörlerimiz tarafından tespit edilen müon parçacıklarıdır. Uzay havası, Dünya atmosferine giren kozmik ışın parçacıklarının miktarını etkiler; bu nedenle, uzay havasındaki değişiklikleri incelemek için dedektörlerimizden gelen verileri kullanabiliriz.

Ekibiniz, uzay ve dünya hava durumunu izleme de dahil olmak üzere kritik ölçümleri toplamak için kozmik ışın dedektörleri geliştirdi. Bu çalışmanın amacı nedir?

Kozmik ışın müon dedektörleri ben ve Georgia Eyaleti Nükleer Fizik Grubundaki öğrencilerim tarafından geliştirildi.

Bugün itibarıyla ABD dışında biri Singapur’da ve biri Kolombiya’da olmak üzere Sri Lanka’da iki dedektör kurduk. Ayrıca Kaliforniya’daki Mount Wilson’daki CHARA Dizisine ve New Mexico’daki Apache Point Gözlemevi’ne de dedektörlerimiz kuruldu. .

Mevcut plan, bu yaz sonundan önce Afrika’da iki, Sırbistan’da bir dedektör daha kurmaktır. Uzun vadeli hedefim, Georgia State’ten emekli olmadan önce, umarım dünyanın her ülkesine en az bir dedektör kurmaktır.

Bu dedektörleri benzersiz ve önemli kılan nedir?

Dedektörümüzün temel özellikleri arasında taşınabilirlik, düşük maliyet, kolay kurulum ve veri toplama yer almaktadır. Dedektörün maliyetinin bir iPhone’un maliyetinden daha ucuz olduğu gerçeği göz önüne alındığında, bu dedektörleri dünya çapında birçok yere yerleştirmek pratik olarak mümkündür.

Bu dedektörler iklimimizin nasıl değiştiğine dair veri toplamaya nasıl yardımcı oluyor?

İklim ısınması, atmosferin daha yüksek rakımlara doğru genişlemesine ve dünya çapında aşırı hava olaylarına neden oluyor. Bu değişiklikler, dedektörlerimiz tarafından kaydedilen kozmik ışın parçacıklarının miktarını etkiler.

Verileri analiz ederek, aşırı hava koşullarını ve Dünya üzerindeki iklim değişikliklerini izlemek için sağlam bir model geliştirmeyi umuyoruz. Bu hedefe ulaşmak yıllar alacak. Şu anda öğrencilerimiz mevcut verileri analiz etmek için aktif olarak makine öğrenimi araçları geliştiriyorlar. Daha fazla dedektör çevrimiçi hale geldikçe ilerleme de gelişecektir.

Çalışmanızın bir kısmı, bir mikro uydu NASA misyonu için dedektörler tasarlayacak bir projeyi içeriyor. Bize bu çalışma hakkında daha fazla bilgi verin.

Hem uzay hem de Dünya’nın hava durumu, dedektörlerimiz tarafından kaydedilen parçacık sayımlarını etkileyecektir. Çoğu durumda bu etkileri birbirinden ayırmak zordur. Fikirlerden biri, uzaydaki hava olaylarını etiketlemek için alçak Dünya yörüngesine daha küçük bir dedektör yerleştirmek.

Geçen yıl Dr. Ashwin Ashok ve ben NASA Ames Araştırma Merkezini ziyaret ettik ve NASA’nın CubeSat spesifikasyonlarına uygun bir prototip geliştirdik. NASA’daki arkadaşlarımızın ifadesine göre prototipin 2025 yılında uzaya fırlatılabileceğini umuyoruz.

Kozmik ışınların atmosfer üzerindeki etkisinin ötesinde insan sağlığında da rol oynayabileceğini düşünüyorsunuz. İlgilendiğiniz bazı çalışmaları paylaşabilir misiniz?

Kozmik ışınlar, insanların deneyimlediği doğal arka plan radyasyonunun bir parçası olan Dünya’da yaşam yaratılmadan çok önce vardı. İyonlaştırıcı radyasyonun muhtemelen bazı kanser oluşumuyla bağlantılı olduğunu düşünüyorum ve bu alanda daha fazla araştırma görmek isterim. Kozmik ışınlar, gen mutasyonuna ve çift sarmallı DNA kırılmasına neden olabilen iyonlaştırıcı radyasyon olduğundan, uzay yolculuğu için önemli olan Dünya’daki yaşamın evriminde kozmik ışınların rolünü anlamak önemlidir.

Ek olarak, kozmik ışın yağmurları ticari uçuşlarda uçuş irtifasının birkaç kilometre üzerinde meydana geldiğinden, uçuş ekipleri tarafından daha fazla radyasyon dozu alınmaktadır. Uzun yıllar boyunca seyahat ederken yanımda bir Geiger sayacı taşıdım ve kozmik ışın radyasyon seviyelerinin yerdeki seviyelere göre 20 ila 40 kat daha fazla arttığını kaydettim.

Uzun zamandır bu artan radyasyon seviyelerinin sağlık üzerindeki etkilerini anlamakla ilgileniyorum. Geçtiğimiz iki yıl boyunca, kozmik ışın radyasyonu artışını önemli istatistiksel doğrulukla çok daha iyi ölçebilmek için kendi dedektörümüzü kullanabildim.

Ayrıca bu dedektörlerin ortaokul ve lise öğrencilerine STEM araştırmaları hakkında daha fazla bilgi edinme konusunda ilham verebileceğini düşünüyorsunuz. Bununla ilgili daha fazla bilgi paylaşabilir misiniz?

Araştırmalarıma ek olarak, dersler vermek ve yetenekli lisansüstü öğrencilerden oluşan bir ekiple çalışmak işimin en ödüllendirici yönlerinden bazılarıdır. Disiplinlerarası öğretim kadromuzla Cosmic RISE Takımının oluşmasının ardından, yeni geliştirilen dedektörün STEM eğitiminde kullanılması için harika bir fırsat görüyoruz.

Dedektör maliyeti yönetilebilir düzeydedir ve cihazlar hem taşınabilir hem de kullanımı kolaydır. Aynı zamanda, bu dedektörler, özellikle gelişmekte olan ülkelerdeki öğrenciler için, kültürel farklılıklar ve dil engellerini aşan öğrenciler için STEM eğitimini teşvik etmeyi mümkün kılmaktadır.

Kozmik ışın tespit çalışmalarınızın yanı sıra Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısında da araştırmalar yürütüyorsunuz. Bütün bunlar nasıl bağlantılı?

Yüksek enerjili bir nükleer fizikçi olarak ana araştırma projem, 1998’den bu yana ABD Enerji Bakanlığı tarafından desteklenen Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısını kullanarak altın çekirdeklerini ışık hızına yakın bir hızda çarpıştırmaktır. Georgia Eyaleti’nde Murad Sarsour, Megan Connors ve Dr. Yang-Ting Chien’in de aralarında bulunduğu birinci sınıf bir nükleer fizikçiler ekibi oluşturabilmiş olmak.

Buradaki fikir, çarpışan çekirdeklerden oluşan madde durumunun çok sıcak ve yoğun olduğu ve Büyük Patlama’dan birkaç mikrosaniye sonraki madde durumuna çok benzediğidir. Bu deneyler sayesinde, erken evrenin evrimi hakkında daha fazla bilgi edineceğiz; bu da, evren soğuyup genişlemeye devam ettiğinde yıldızların ve galaksilerin oluşumunu daha iyi anlamamızı sağlayacak. Bir noktada kozmik ışın radyasyonlarının varlığında yaşam yaratılır.

Yıllar geçtikçe, bu projedeki teknolojileri kullanabildim ve dünyadaki en acil sorun olan iklim ısınmasını çözmeye yönelik pratik uygulamalar için kozmik ışın dedektörleri geliştirdim.