前往火星的宇航员,会遭受多少宇宙辐射?

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载人前往火星的途中,来自银河系和太阳的高能粒子辐射是避不开的危险。借助搭载在好奇号火星车上的辐射评估探测器,科学家获得了未来火星宇航员在往返火星途中可能受到辐射剂量的第一手资料。图片来源:businessinsider.com

2011年11月26日,火星科学实验室(MSL)启程离开地球,开始了历时253、长达5.6亿千米、将好奇号火星车送上那颗红色行星的慢慢旅程。一路上,美国西南研究院领导开发的辐射评估探测器(RAD),在太空舱内部对高能粒子辐射环境进行了细致的测量,为未来载人飞往火星的计划提供了重要的参照。

卡里·蔡特林博士(Cary Zeitlin)介绍说:“就累计辐射剂量而言,这就相当于每五到六天接受一次全身CT扫描。”蔡特林是美国西南研究院空间科学及工程部的首席科学家,也是测量火星科学实验室前往火星途中所受高能粒子辐射这项研究的第一作者,研究结果于2013年5月31日发表在《自然》杂志上。

“了解前往火星或其他深空目的地的载人太空舱内部的辐射环境,对于规划未来的载人航天任务来说,是至关重要的,”蔡特林说,“根据RAD的测量数据,除非航天推进系统能够得到迅速的提升,否则在往返火星的旅途中,当飞船及内部的乘员暴露在行星际空间的辐射环境中,只依靠飞船本身加以防护时,宇航员接受到的辐射照射将在整个任务的辐射剂量中占到很大的一部分。”

前往深空探索的宇航员会遇到两种可能导致健康风险的辐射照射:一种是长期存在的低剂量银河系宇宙线(GCR),另一种则是有可能短期出现的太阳高能粒子(SEP),后者与耀斑及日冕物质抛射等太阳活动有关。辐射剂量的单位则是西弗或毫西弗(1/1000西弗)。

银河系宇宙线往往是高能、高穿透性的粒子,普通飞船提供的适度防护无法阻止它们。这些高能粒子包括少量所谓的重离子,也就没有电子陪伴的原子核。人们已经知道,重离子能够导致的生物伤害,要比其他类型的粒子更严重。

涉及宇航员安全的太阳粒子,通常是动能达到几百兆电子伏特的质子。太阳活动通常会产生非常大量的高能质子,还有高能氦离子和更重的离子,但极少产生跟银河系宇宙线差不多的更高能量的粒子流。相较而言,典型的太阳高能粒子能量较低,这意味着飞船对太阳高能粒子的防护,比防护银河系宇宙线要有效得多。

“搭乘着人类进入深空的飞船,很可能会配备一间‘太阳风暴庇护所’,以抵御来自太阳的高能粒子,”蔡特林说,“但银河系宇宙线就更难以阻挡,就算飞船的外壳用30厘米厚的铝板制成,也不会降低多少辐射剂量。”不过,并不是说对于银河系宇宙线,我们就没有任何办法可以防护了。在接受果壳网的采访时,蔡特林说:“我们相信轻质材料会比铝材料提供更好的防护,不过即使是最佳的防护,也只能适度降低辐射剂量。辐射仍是一个大问题。”

“RAD的数据显示,飞船在巡航途中接受到的银河系宇宙线照射剂量相当于每天1.8毫西弗。对于采用现有航天推进系统往返火星的任务来说,往返途中接受到的总辐射剂量大约是0.66西弗。”这样的辐射剂量不会立即致命,但是世界各国的空间机构对宇航员所能受到的辐射剂量都设定了上限。

蔡特林对果壳网说:“设定上限是为了防止宇航员受到长期的伤害。主要的担心在于,暴露在辐射中可能会对许多年以后宇航员晚年的健康造成影响。”长期人口研究已经表明,辐射照射会提高一个人在一生中罹患癌症的风险;接受1西弗剂量的辐射照射,患致命癌症的风险就会提高5%。“美国宇航局设定的上限要比1西弗低很多,仅仅是往返火星所受的0.66西弗照射,就会超过美国宇航局的上限。”

花在火星表面上的时间可能还会大大增加火星任务的总辐射剂量,具体要取决于宇航员在火星表面的防护条件和他们在火星上停留的时间长短。蔡特林向果壳网透露,这正是他的下一步研究计划——评估未来人类火星殖民地所受的辐射照射。随着好奇号火星车成功着陆火星,并且在火星表面展开探测任务,RAD正在测量火星表面的辐射环境。“我们希望尽快发表来自火星表面的测量结果,这将帮助我们更全面地了解NASA考虑过的载人火星任务中,宇航员将会面对什么样的环境。”

“科学家需要用实际的测量数据来检验理论和模型,而这恰恰是RAD现在正在提供的,”唐纳德·M·哈斯勒说,“这些测量数据将帮助我们更好的了解辐射如何穿越深空,了解辐射会如何影响和改变飞船本身的结构。”哈斯勒是美国西南研究院的项目主管,也是这项RAD研究的首席研究员。他说,“飞船可以稍稍防护一部分能量较低的粒子,但其他粒子能够不受阻碍地穿透飞船,或者分解成次级粒子。”

在RAD测量到的辐射当中,只有大约5%的剂量与太阳粒子有关,原因有二:在它飞往火星的途中,太阳处在活动周期中相对平静的时期;飞船本身也提供了一部分防护。载人往返火星的任务中,宇航所受的辐射照射将取决于住所的防护能力,以及不可预测的大型太阳高能粒子爆发事件。即使如此,RAD测量的结果也能很好地代表,太阳活动处在中等偏低时前往火星的宇航员可能会受到的辐射。

在谈到火星一号等项目提出的单程前往火星计划时,蔡特林不愿意多加评论。“不论如何,辐射问题都先必须得到解决,”他总结道,“然后人类才能够一次花上几个月到几年时间,向深空进军。”

 

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消息来源:EurekAlert! 

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