A occhio nudo non puoi vedere il meteo nello spazio o sentire i raggi cosmici che si irradiano verso la Terra, ma possono avere un impatto su sistemi critici come il clima, la connettività dei computer, le comunicazioni e persino la nostra salute.
Xiaochun He, professore ordinario di fisica e astronomia, sta affrontando alcune delle grandi domande effettuando misurazioni di questi raggi cosmici utilizzando le tecnologie sviluppate nei suoi progetti di ricerca fondamentali sulla fisica nucleare. Lui e il suo team stanno valutando come questi raggi influenzano il clima terrestre, come potrebbero aver avuto un ruolo nelle origini dell'universo e come potrebbero avere un ruolo quando il cancro ha origine nel corpo.
Qui, il dottor He condivide ciò che ha ispirato questo lavoro e come lo studio dei raggi cosmici può avere un impatto qui sulla Terra.
La meteorologia spaziale è un termine generale per descrivere le attività solari, inclusa l’espulsione di massa coronale dal sole e cose come le tempeste geomagnetiche. Forti tempeste solari potrebbero causare interruzioni significative al nostro sistema di comunicazione, danneggiare potenzialmente i satelliti e influenzare, ad esempio, la rete elettrica a lunga distanza.
La maggior parte delle particelle energetiche dei raggi cosmici – principalmente protoni – hanno origine galattica; alcuni di essi entrano nel sistema solare e bombardano l'atmosfera terrestre. Queste particelle di raggi cosmici si scontrano con le molecole dell'atmosfera terrestre a circa 15 chilometri di altitudine e producono particelle secondarie (chiamate sciami di raggi cosmici).
Le particelle più secondarie che raggiungono la superficie della terra sono le particelle muoniche, che vengono rilevate dai nostri rilevatori. La meteorologia spaziale influenza la quantità di particelle di raggi cosmici che entrano nell'atmosfera terrestre, motivo per cui possiamo utilizzare i dati dei nostri rilevatori per studiare i cambiamenti della meteorologia spaziale.
I rilevatori di muoni di raggi cosmici sono stati sviluppati da me e dai miei studenti del Gruppo di fisica nucleare presso lo Stato della Georgia.
Ad oggi, abbiamo installato due rilevatori in Sri Lanka, uno a Singapore e uno in Colombia, al di fuori degli Stati Uniti. Abbiamo anche rilevatori installati presso il CHARA Array sul Monte Wilson, in California, e presso l'Apache Point Observatory nel Nuovo Messico. .
Il piano attuale è quello di installare altri due rilevatori in Africa e uno in Serbia entro la fine dell'estate. Il mio obiettivo a lungo termine è installare almeno un rilevatore in ogni paese del mondo, si spera, prima di andare in pensione dallo stato della Georgia.
Le caratteristiche principali del nostro rilevatore includono portabilità, basso costo, facile installazione e raccolta dati. Dato che il costo del rilevatore è inferiore a quello di un iPhone, è praticamente possibile implementare questi rilevatori in molte località in tutto il mondo.
Il riscaldamento climatico provoca l’espansione dell’atmosfera a quote più elevate e eventi meteorologici estremi in tutto il mondo. Questi cambiamenti influenzano la quantità di particelle di raggi cosmici registrate dai nostri rilevatori.
Analizzando i dati, speriamo di sviluppare un modello robusto per monitorare i modelli meteorologici estremi e i cambiamenti del clima sulla Terra. Ci vorranno anni per raggiungere questo obiettivo. Attualmente, i nostri studenti stanno sviluppando attivamente strumenti di apprendimento automatico per analizzare i dati esistenti. Il progresso evolverà man mano che sempre più rilevatori saranno online.
Sia lo spazio che il clima terrestre influenzeranno il conteggio delle particelle registrato dai nostri rilevatori. In molti casi è difficile separare questi effetti. Una delle idee è quella di posizionare un rilevatore più piccolo nell'orbita terrestre bassa per contrassegnare gli eventi meteorologici spaziali.
L'anno scorso, il dottor Ashwin Ashok e io abbiamo visitato il Centro di ricerca Ames della NASA e abbiamo sviluppato un prototipo seguendo le specifiche CubeSat della NASA. Secondo i nostri amici della NASA, speriamo che il prototipo possa essere lanciato nello spazio nel 2025.
I raggi cosmici esistevano molto prima che la vita fosse creata sulla Terra, e fanno parte della radiazione di fondo naturale sperimentata dagli esseri umani. Penso che le radiazioni ionizzanti siano probabilmente collegate alla formazione di tumori e mi piacerebbe vedere più ricerche in questo settore. Poiché i raggi cosmici sono radiazioni ionizzanti che possono causare mutazioni genetiche e rottura del doppio filamento del DNA, è importante comprendere il ruolo dei raggi cosmici nell'evoluzione della vita sulla Terra, il che è importante per i viaggi spaziali.
Inoltre, poiché gli sciami di raggi cosmici si verificano tipicamente pochi chilometri sopra l’altitudine di volo dei voli commerciali, gli equipaggi di volo ricevono maggiori dosi di radiazioni. Per molti anni ho portato con me un contatore Geiger mentre viaggiavo e ho registrato l'aumento dei livelli di radiazione dei raggi cosmici da 20 a 40 volte superiore rispetto ai livelli sulla terra.
Da tempo sono interessato a comprendere gli effetti sulla salute di questi maggiori livelli di radiazioni. Negli ultimi due anni, ho potuto utilizzare il nostro rilevatore per ottenere una misurazione molto migliore dell'aumento della radiazione dei raggi cosmici con una precisione statistica significativa.
Oltre alla mia ricerca, l'insegnamento di corsi e il lavoro con un team di talentuosi studenti laureati sono alcuni degli aspetti più gratificanti del mio lavoro. In seguito alla formazione del Cosmic RISE Team con il nostro corpo docente interdisciplinare, vediamo una grande opportunità per utilizzare il rilevatore di nuova concezione per la formazione STEM.
Il costo del rilevatore è gestibile e i dispositivi sono portatili e facili da utilizzare. Allo stesso tempo, questi rilevatori consentono di incoraggiare l'istruzione STEM per gli studenti superando le differenze culturali e le barriere linguistiche per gli studenti, in particolare quelli dei paesi in via di sviluppo.
Il mio principale progetto di ricerca, come fisico nucleare delle alte energie, è quello di far collidere nuclei d'oro a una velocità prossima a quella della luce utilizzando il Relativistic Heavy Ion Collider presso il Brookhaven National Lab, che è stato sostenuto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti dal 1998. Sono grato essere stato in grado di mettere insieme un team di fisici nucleari di livello mondiale presso lo Stato della Georgia, tra cui Murad Sarsour, Megan Connors e il dottor Yang-Ting Chien.
L'idea è che lo stato della materia creato dalla collisione dei nuclei sia caldo e denso e sia molto simile allo stato della materia pochi microsecondi dopo il Big Bang. Attraverso questi esperimenti acquisiremo maggiori conoscenze sull'evoluzione dell'universo primordiale, che a sua volta ci permetterà di comprendere meglio la formazione delle stelle e delle galassie quando l'universo si raffredda e continua ad espandersi. Ad un certo punto, in presenza di radiazioni di raggi cosmici, viene creata la vita.
Nel corso degli anni, ho potuto utilizzare le tecnologie di questo progetto e sviluppare rilevatori di raggi cosmici per applicazioni pratiche per risolvere la preoccupazione più urgente del mondo:il riscaldamento climatico.
Fornito dalla Georgia State University
