پرتوهای کیهانی و بادهای خورشیدی چیستند؟

از همان آغاز عصر فضا، تابشهای کیهانی مشکلی شناخته شده برای کاوش‌های فضایی بود. مسافرتهای فضایی اولیه همواره با این بیم و هراس همراه بودند که خارج از سپر محافظتی جوزمین، تابش چه اثراتی بر بدن فضانوردان خواهد گذاشت. خوشبختانه نخستین فضانوردان از مسافرت کوتاه خودبه سوی ناشناخته‌ها به سلامت به زمین بازگشتند؛ اما اثرات درازمدت تابش روی انسان کماکان خطر کشنده بالقوه‌ای محسوب میشود.

اگر بشر قصدداردروزی برای کاوش‌های خود عازم دوردستهای فضا شود، ناگزیر از یافتن پاسخ این پرسش خواهد بود. تابشهای منظومه شمسی از منابع مختلفی سرچشمه می‌گیرند و خورشید مهم‌ترین منبع تابشهای نزدیک به زمین است. نور خورشید خود نوعی تابش است. این تابش که بخش اعظم آن از نورهای مرئی، فرابنفش وفروسرخ تشکیل شده، عملا بیضرر است؛ مگر آنکه . انسان برای مدت زمان طولانی در معرض آن قرار گیرد. از میان مخاطراتی که تابش طولانی مدت نور خورشید ممکن است برای انسان داشته باشد، می‌توان افزایش خطر ابتلا به سرطان پوست رانام برد. خوشبختانه جوزمین برای حفاظت از مادر مقابل اثرات مضر تابش خورشیدی سپرخوبی محسوب میشود.

کمربندهای ون آلن

کمربندهای تابشی ون آلن که در سال ۱۳۳۷ / ۱۹۵۸ توسط گروهی از دانشمندان آمریکایی به سرپرستی دکتر جیمز ون آلن کشف شدند، دو ناحیه از ذرات باردار هستند که زمین را احاطه کرده‌اند. کمربندداخلی از ارتفاع ۱۰۰۰تاه ۶۰۰ کیلومتری، وکمربند خارجی از ارتفاع ۱۳, ۰۰۰ تا ۶۰, ۰۰۰ کیلومتری زمین گسترده شده است.

دانشمندان عقیده دارندمنشأدرات پر انرژی موجود در کمربندها، ترکیبی از بلاهای خورشیدی و پرتوهای کیهانی است که در اثر میدان مغناطیسی زمین در این مناطق به دام افتاده‌اند. برای فضانوردانی که به خارج از مدار زمین پرواز می‌کنند، عبور از میان کمربندهای ون آلن خطر تشعشع را به همراه دارد. اما تازمانی که فضانوردان مدت زیادی را درون این کمربندهاسپری نکنند، اثرات آن در حداقل خود قرار دارد. برای مثال فضانوردان ماموریت آپولو زمان اندکی را درون این کمربندهاگذراندندو در عین حال برای ایجاد محافظت از لایه‌هایی آلومینیومی در ماژول فرماندهی استفاده شده بود.

پرتوهای کیهانی

خطرناک‌ترین شکل تابشهایی که در کهکشان وجود دارد، از منابع کیهانی خارج از منظومه شمسی سرچشمه می‌گیرد. ابرنواخترها، سیاهچاله‌ها و سایر رخدادهای پرجرم کیهانی به عنوان منابع انتشار ذراتزیراتمی فوق بارداری شناخته می‌شوند که با هیچ کدام از فناوری‌های حفاظتی امروزی نمی‌توان به خوبی آن‌ها را متوقف کرد. خوشبختانه فضانوردانی که در مدارهای پایینی زمین مستقر هستند، به دلیل حفاظت مناسب مگنتوسفر زمین در امنیت نسبی خوبی قرار دارند. با این وجود برای فضانوردانی که عازم دوردستهای منظومه شمسی می‌شوند، پرتوهای کیهانی خطر بزرگی محسوب می‌شود. از میان اثرات مختلف تابش کیهانی که شامل بیماری تشعشع و ابتلا به سرطان است؛ این تابش در طولانی مدت می‌تواند باعث شکسته شدن ساختار دی.ان.ای انسان شود. بنابر این قرار داشتن طولانی مدت در معرض پرتوهای پرقدرت کیهانی میتواند کشنده باشد. فضانوردان آینده بیش از سایر تابش‌ها باید نگران این نوع تابش باشند.

بادهای خورشیدی

اگرچه بادهای خورشیدی میتواند برای فضانوردانی که در معرض آن قرار می‌گیرند کشنده باشد؛ اما در حقیقت این بادها بیشتر سودمند هستند. خورشید به طور مداوم پروتون‌های پر انرژی را به درون فضا می‌ریزد. طی دوره‌هایی که فعالیت خورشیدی درکمینه خود قرار دارد، این پروتون هامشکلات چندانی برای فضانوردان ایجلانمی کند. با این وجودودر زمانهایی که فعالیت خورشید افزایش می‌یابد، ممکن است صفی از تابش به درون منظومه شمسی فرستاده شود. خوشبختانه پیوسته اکثر فضاپیماهای امروزی برای سد کردن بخش اعظم این تابش کفایت می‌کند. تنها فضانوردانی که در راهپیمایی‌های فضایی باوسایل نقلیه سطح نوردهستندبایدنگران این تابش باشند. بادهای خورشیدی همچنین توسط میدان مغناطیسی خوشیدتادوردستهای منظومه شمسی برده میشوند و باعث انحراف ذرات باردار مضری می‌شوند که از سایر نقاط کهکشان به سوی ما می‌آیند. این اثر که به نام «کاهش فوربوش» شناخته میشود، منبع مفیدی برای محافظت از فضانوردان در مقابل پرتوهای کیهانی است.

علاوه بر جو، زمین توسط مگنتوسفر (Magnetosphere) خود نیز محافظت می‌شود: پوشش حاصل از میدان‌های مغناطیسی سیاره که تابش‌های ورودی به زمین را منحرف می‌کنند. ذرات بارداری که از فضا به سوی زمین می‌آیند، در بخشی از این میدان‌های مغناطیسی موسوم به کمربندهای ون آلن به دام می‌افتند. اگرچه عبور فضانوردان از میان کمربندهای ون آلن نیز کاری خطرناک است؛ اما همین کمربندها ساکنان سطح زمین را از شر آثار مخرب این تابش محافظت می‌کند زمانی که فضانوردان از ناحیه محافظتی ساخته شده از جو و مگنتوسفر خارج می‌شوند، در معرض سطوح تابشی بالاتری قرار می‌گیرند که می‌تواند مضر باشد. همچنین تنها کمربندهای ون آلن نیستند که فضانوردان باید نگران آن باشند. فضانوردان ماموریت آپولو که به ماه سفر کردند باید مطمئن می‌شدند زمان زیادی روی سطح ماه سپری نکنند؛ چراکه تابش‌های خورشیدی که به سطح ماه می‌رسد می‌تواند اثرات کشنده‌ای برای انسان داشته باشد.

شراره‌های شرور خورشید هنگامی که شراره‌های خورشیدی (CME) به وقوع می‌پیوندند، رخدادی دیگری به نام توفان‌های پروتونی ایجاد می‌شود که فوران‌های شدید انرژی خورشید است از آنجایی که پروتون‌های خورشیدی سطوح انرژی بسیار بالایی دارند، انفجارهای عظیم آن‌ها می‌تواند در جو بالایی زمین نفوذ کند. اگر چه در ارتفاعات پایینی زمین ما از اثرات آن‌ها در امان هستیم؛ اما فضاپیماها و فضانوردان در برابر آن‌ها آسیب پذیر هستند. این توفان‌ها باعث صدمه دیدن ابزارهای حساس فضایی می‌شوند، و فضانوردان را در حین پیاده روی‌های فضایی در معرض مقادیر کشنده تابش قرار می‌دهند. اگر چه امکان محافظت از فضانوردان وجود دارد و می‌توان تا اندازه‌ای رخدادهای خطرناک خورشید را پیش بینی کرد؛ اما این مساله مانع مهمی بر سر راه سفر سرنشین دار به مریخ به شمار می‌رود.

پرتوهای کیهانی بادهای خورشیدی و رخدادهای پر انرژی خورشیدی تنها شکلی از تابش نیستند که فضانوردان را تهدید می‌کند. دردسر اصلی از سوی پرتوهای کیهانی است که از خارج منظومه شمسی سرچشمه می‌گیرند، و ما هنوز اطلاعات اندکی درباره آن‌ها داریم. اخترشناسان می‌دانند که رخدادهای عظیم کیهانی باعث انتشار مقادیر بالای تابش میشوند، که در خلأ فضا به پیش می‌رود و اغلب منظومه شمسی ما را بمباران می‌کنند.

یکی از این رخدادهای انفجارهای پرتو گاما (GRB) است: بیرون ریزی عظیم انرژی که می‌تواند تنها ظرف ۱۰ ثانیه، تابشی معادل کل تابش الکترومغناطیسی خورشید در تمام دوره عمر ۱۰ میلیارد ساله‌اش را به درون فضا بریزد. آن طور که بن گومپرتز محققی که به بررسی GRB می‌پردازد توضیح می‌دهد، انفجارهای پرتو گاما تنها مثال کوچکی است که نشان میدهد فضا تا چه حد می‌تواند برای زندگی خصمانه باشد. گومپرتز می‌گوید: «پرتوهای گاما واقعا چیز خطرناکی هستند. آن‌ها به اندازه کافی انرژی دارند تادی ان ای را از هم جدا کنند.»

با این وجود، گومپرتز اضافه می‌کند که خوشبختانه نرخ وقوع این انفجارها در سراسر کیهان اندک، و عملا قابل چشم پوشی است. شاید انفجارهای پرتوهای گاما پدیده‌های نادری باشند؛ اما تهدید سایر رخدادهای کیهانی که منشأ تابش گاما و سایر انواع تابش هاهستند تهدید به مراتب مسلم‌تری است. برای مثال در قلب کهکشان راه شیری سیاهچاله فوق پر جرمی قرار دارد که تصور می‌شود منشأ تولید مقادیر عظیمی از پرتوهای کیهانی است. همچنین ابرنواخترها هم می‌توانند مقادیر بالایی فوتونهای پر انرژی را در فضا پراکنده کنند که مستقیما به سوی سیاره ما می‌آیند.

محافظت در برابر تابشها تهدید بعضی اشکال تابش را می‌توان با قرار دادن صفحات سربی چند سانتی متری روی فضاپیماها از بین برد؛ اما محافظت در برابر تمام انواع پرتوهای کیهانی کار ساده‌ای نیست. در صورت کم بودن پوشش زرهی سفینه، بعضی پرتوهای ورودی باعث پرتوزایی زره می‌شوند. به این ترتیب، | اشکال ثانویه‌ای از تابش شکل می‌گیرد که می‌تواند برای خدمه انسانی سفینه خطرناک باشد. زمانی که مساله پرتوهای کیهانی مطرح است، برای اینکه بتوان فضانوردان را از اثرات نامطلوب آنهاطی کاوش‌های اعماق فضا حفاظت کرد، تنها روش‌های خلاقانه‌ای مانند ساختن سپری از جنس آب یا آهنرباهای ابررسانا می‌تواند کارساز باشد.

حتی در کمترین حالت، اثرات قرار داشتن طولانی مدت در برابر تابشهای فضایی می‌تواند خطرناک باشد. اگر فضانوردی بدون محافظ تنها برای دو ساعت در معرض تابش خورشید و پرتوهای کیهانی قرار گیرد، ساختار دی.ان.ای بدنش از هم گسیخته می‌شود. حتی فضانوردانی که درون سفینه‌ای با سپرهای محافظ فلزی قرار دارند، در نهایت با ریسک بالاتر ابتلا به سرطان مواجه هستند.

فهرست کامل اثرات تابش فضایی روی انسان بسیار طولانی است؛ که از جمله شامل ریسک بالاتر ابتلا به آب مروارید در میان فضانوردان می‌شود. برای آنکه بتوان فضانوردان را در مقابل اثرات مخرب تابش خورشیدی محافظت کرد، باید انواع جدیدی از زردهای حفاظتی تولید کرد.

فناوری‌های مختلفی در حال توسعه است که شاید بتوانند خطرات تشعشعی پرتوهای کیهانی روی فضاپیماهای سرنشین دار را کاهش دهند. برای مثال شاید روزی بتوان سپری مادی از جنس هیدروژن مایع یا آب ساخت و به کمک آن لایه محافظی پیرامون مناطقی خاص از فضاپیما ایجاد کرد که خدمه سفینه بتوانند هنگام افزایش سطح پرتوهای فضایی به آنجا پناه ببرند. انحراف مغناطیسی نیز می‌تواند راه حل مناسبی برای دور کردن ذرات باردار باشد.

روزی که بشر تصمیم بگیرد باید فضانوردان خود را به ملاقات مریخ و ماواری آن بفرستد، مقابله با تابش کشنده کیهانی را مد نظر قرار دهد. برای اینکه بتوان از ایمنی فضانوردان اطمینان حاصل کرد، لازم است پیشرفت‌های شگرفی در فناوری‌های کلیدی اتفاق بیفتد. اما خوشبختانه و به لطف تحقیقات گسترده‌ای که امروزه در حال انجام است، امید میرود که راه حل به زودی پیدا شود.

منبع: دانستنیها – مهر ۱۳۹۲