Met het blote oog kun je het weer in de ruimte niet zien, of de kosmische straling naar de aarde voelen stralen, maar ze kunnen wel van invloed zijn op cruciale systemen zoals ons klimaat, computerconnectiviteit, communicatie en zelfs onze gezondheid.

Regentenhoogleraar natuurkunde en astronomie Xiaochun Hij pakt enkele van de grote vragen aan door deze kosmische straling te meten met behulp van de technologieën die zijn ontwikkeld in zijn fundamentele kernfysica-onderzoeksprojecten. Hij en zijn team peilen hoe deze stralen het klimaat op aarde beïnvloeden, hoe ze mogelijk een rol hebben gespeeld bij het ontstaan ​​van het universum en hoe ze een rol kunnen spelen bij het ontstaan ​​van kanker in het lichaam.

Hier deelt Dr. He wat de inspiratie voor dit werk was en hoe het bestuderen van kosmische straling hier op aarde impact kan hebben.

Wat is ruimteweer en waarom moeten we het monitoren?

Ruimteweer is een algemene term voor het beschrijven van zonne-activiteiten, inclusief coronale massa-uitstoot door de zon en zaken als geomagnetische stormen. Zware zonnestormen kunnen aanzienlijke onderbrekingen in ons communicatiesysteem veroorzaken, mogelijk satellieten beschadigen en bijvoorbeeld het elektriciteitsnet over lange afstanden aantasten.

Verschillen kosmische straling van ruimteweer?

De meeste energetische kosmische stralingsdeeltjes – voornamelijk protonen – hebben een galactische oorsprong; sommigen van hen komen het zonnestelsel binnen en bombarderen de atmosfeer van de aarde. Deze kosmische stralingsdeeltjes botsen met de moleculen in de atmosfeer van de aarde op ongeveer 15 kilometer hoogte en produceren secundaire deeltjes (kosmische stralingsbuien genoemd).

De meest secundaire deeltjes die het aardoppervlak bereiken zijn muondeeltjes, die door onze detectoren worden gedetecteerd. Het ruimteweer heeft invloed op de hoeveelheid kosmische stralingsdeeltjes die de atmosfeer van de aarde binnendringen. Daarom kunnen we de gegevens van onze detectoren gebruiken om de veranderingen in het ruimteweer te bestuderen.

Je team heeft kosmische stralingsdetectoren ontwikkeld om kritische metingen te verzamelen, waaronder monitoring van het ruimte- en aardweer. Wat is het doel van dit werk?

De kosmische stralingsmuondetectoren zijn ontwikkeld door mij en mijn studenten van de Nuclear Physics Group in Georgia State.

Vanaf vandaag hebben we twee detectoren geïnstalleerd in Sri Lanka, één in Singapore en één in Colombia, buiten de VS. We hebben ook detectoren geïnstalleerd bij de CHARA Array op Mount Wilson, Californië, en bij Apache Point Observatory in New Mexico .

Het huidige plan is om vóór het einde van deze zomer nog twee detectoren in Afrika en één in Servië te installeren. Mijn doel op langere termijn is om hopelijk in elk land ter wereld minstens één detector te installeren voordat ik met pensioen ga uit de staat Georgia.

Wat maakt deze detectoren uniek en belangrijk?

De belangrijkste kenmerken van onze detector zijn draagbaarheid, lage kosten, eenvoudige installatie en gegevensverzameling. Gezien het feit dat de kosten van de detector goedkoper zijn dan die van een iPhone, is het praktisch mogelijk om deze detectoren op veel locaties wereldwijd in te zetten.

Hoe helpen deze detectoren gegevens te verzamelen over hoe ons klimaat verandert?

De opwarming van het klimaat veroorzaakt de uitbreiding van de atmosfeer naar grotere hoogten en extreme weersomstandigheden wereldwijd. Deze veranderingen beïnvloeden de hoeveelheid kosmische stralingsdeeltjes die door onze detectoren worden geregistreerd.

Door de gegevens te analyseren hopen we een robuust model te ontwikkelen voor het monitoren van de extreme weerpatronen en de veranderingen in het klimaat op aarde. Het zal jaren duren om dit doel te bereiken. Momenteel ontwikkelen onze studenten actief machine learning-tools voor het analyseren van de bestaande gegevens. De voortgang zal evolueren naarmate er meer detectoren online komen.

Een deel van je werk omvat een project waarbij detectoren worden ontworpen voor een microsatelliet-NASA-missie. Vertel ons meer over dit werk.

Zowel de ruimte als het weer op aarde zullen de deeltjestellingen beïnvloeden die door onze detectoren worden geregistreerd. In veel gevallen is het een uitdaging om deze effecten van elkaar te scheiden. Eén van de ideeën is om een ​​kleinere detector in de lage baan van de aarde te plaatsen om de gebeurtenissen in het ruimteweer te kunnen signaleren.

Vorig jaar bezochten Dr. Ashwin Ashok en ik het NASA Ames Research Center en ontwikkelden een prototype volgens de CubeSat-specificaties van NASA. Volgens onze vrienden bij NASA hopen we dat het prototype in 2025 de ruimte in kan.

Afgezien van de impact die kosmische straling kan hebben op de atmosfeer, denk je dat ze zelfs een rol kunnen spelen in de menselijke gezondheid. Kun je iets van het werk delen waarin je geïnteresseerd bent?

Kosmische straling bestond al lang voordat er leven op aarde ontstond, wat deel uitmaakt van de natuurlijke achtergrondstraling die mensen ervaren. Ik denk dat ioniserende straling waarschijnlijk verband houdt met de vorming van kanker, en ik zou graag meer onderzoek op dit gebied zien. Omdat kosmische straling ioniserende straling is die genmutatie en het breken van dubbelstrengs DNA kan veroorzaken, is het belangrijk om de rol van kosmische straling in de evolutie van het leven op aarde te begrijpen, wat belangrijk is voor de ruimtevaart.

Omdat de kosmische stralingsbuien doorgaans een paar kilometer boven de vlieghoogte van commerciële vluchten plaatsvinden, worden bovendien meer stralingsdoses ontvangen door cockpitpersoneel. Jarenlang had ik een Geigerteller bij me als ik op reis was en registreerde ik de toename van de kosmische stralingsniveaus die 20 tot 40 keer zo hoog waren in vergelijking met de niveaus op de grond.

Ik ben al lang geïnteresseerd in het begrijpen van de gezondheidseffecten van deze verhoogde stralingsniveaus. De afgelopen twee jaar heb ik onze eigen detector kunnen gebruiken om de toename van kosmische straling veel beter te meten, met aanzienlijke statistische nauwkeurigheid.

Je denkt ook dat deze detectoren middelbare scholieren kunnen inspireren om meer te leren over STEM-onderzoek. Kun je daar meer over vertellen?

Naast mijn onderzoek zijn het geven van cursussen en het werken met een team van getalenteerde studenten enkele van de meest lonende aspecten van mijn werk. Na de vorming van het Cosmic RISE Team met onze interdisciplinaire faculteit zien we een geweldige kans om de nieuw ontwikkelde detector te gebruiken voor STEM-training.

De detectorkosten zijn beheersbaar en de apparaten zijn zowel draagbaar als eenvoudig te bedienen. Tegelijkertijd maken deze detectoren het mogelijk om STEM-onderwijs voor studenten aan te moedigen over culturele verschillen en taalbarrières heen voor studenten, vooral die in ontwikkelingslanden.

Naast je werk voor het detecteren van kosmische straling, voer je ook onderzoek uit bij de Relativistic Heavy Ion Collider in het Brookhaven National Laboratory. Hoe hangt dit allemaal samen?

Mijn belangrijkste onderzoeksproject, als hoogenergetische kernfysicus, is het laten botsen van goudkernen met de snelheid van het licht met behulp van de Relativistic Heavy Ion Collider van het Brookhaven National Lab, dat sinds 1998 wordt ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie. Ik ben dankbaar in staat te zijn geweest een team van kernfysici van wereldklasse samen te stellen in de staat Georgia, waaronder Murad Sarsour, Megan Connors en Dr. Yang-Ting Chien.

Het idee is dat de materietoestand die ontstaat uit de botsende kernen zo heet en compact is en sterk lijkt op de materietoestand een paar microseconden na de oerknal. Door deze experimenten zullen we meer kennis verwerven over de evolutie van het vroege heelal, wat ons op zijn beurt in staat stelt een beter begrip te krijgen van de vorming van sterren en sterrenstelsels wanneer het heelal afkoelt en blijft uitdijen. Op een gegeven moment ontstaat er leven in de aanwezigheid van kosmische straling.

Door de jaren heen heb ik de technologieën uit dit project kunnen gebruiken en kosmische stralingsdetectoren kunnen ontwikkelen voor praktische toepassingen voor het oplossen van het meest urgente probleem ter wereld:de opwarming van het klimaat.

Aangeboden door Georgia State University