天文太空

「罩」不住的星際旅行

危險的宇宙射線,對於人類航向火星外的太空旅程,恐怕會是嚴酷、甚至是無法克服的阻礙。

撰文/帕克(Eugene N. Parker)
翻譯/郭兆林

天文太空

「罩」不住的星際旅行

危險的宇宙射線,對於人類航向火星外的太空旅程,恐怕會是嚴酷、甚至是無法克服的阻礙。

撰文/帕克(Eugene N. Parker)
翻譯/郭兆林

在行星間旅行一年,人體內就會有1/3的DNA被宇宙射線給切斷。欲保護太空人對抗這等猛烈攻擊,無可避免地必須面臨困難的取捨。

在科幻小說中,太空旅客遇到的最嚴重威脅龐大可見:橫衝直撞的小行星、飢餓的外星生物、邪惡的帝國戰艦等。不過事實上,人類在太空中最恐怖的威脅是小得不得了的東西,即高速的基本粒子:宇宙射線。在長途飛行中,宇宙射線帶給太空人的輻射量嚴重到足以致癌。外太空探險旅行所面臨的其他挑戰,若給予工程師足夠的時間與金錢,都應該能解決,然而宇宙射線卻是個無法避免的危險,這問題往往牽涉到根本的取捨難題,或許會形成火星之旅的終極阻礙。

在實驗室裡,宇宙射線最初被當成小麻煩。宇宙射線的發現,源於物理學家注意到物體無法一直維持所帶電荷,於是推想一定有某些東西會讓空氣游離而導電,使電荷慢慢消逸。許多研究者將之歸咎於腳下的岩石土壤充斥輻射所致。奧地利物理學家海斯(Victor Hess)於1912年解決了這個問題:他搭乘氣球升高,證明飛得越高,驗電器流失電荷的速度便越快。由此可知造成空氣游離化的神秘物體來自太空,於是便出現「宇宙射線」之名。

1950年時,物理學家已經確定這個名詞實際上是誤用。宇宙射線不是射線,而是離子(絕大多數是質子,混合少數較重的原子核),以接近光速撞擊大氣頂層。絕大多數宇宙射線來自於太陽系之外,至今仍不知道為何它們速度能這麼快。一度視宇宙射線為麻煩的實驗家,改拿它們當觀察工具,我和同事在1950年代末期便利用宇宙射線的強度變化,推論出太陽風的存在。

保護地球上的人們免於宇宙射線摧殘的功臣,並非一般所認為的是地球磁場,而是厚厚的大氣層。一平方公分的地表上約有一公斤空氣,平均下來,當質子穿過約70公克的物質,便會撞上大氣中一個原子核(相當於約大氣層1/14的距離,在海拔20~25公里高左右),而其餘的底層大氣則負責吸收相撞後的碎片。衝擊會將原子核的一、兩個質子或中子撞掉,釋放一陣高能γ射線與π介子,γ射線會傳到大氣層更內部,製造出電子與其反物質正子。這兩種粒子碰上其反物質會互相湮滅,產生能量較低的γ射線,如此週期性地循環,直到γ射線太弱而無法製造粒子為止。

同時,π介子會快速衰變成緲子抵達地面。當緲子通過我們的身體時,會產生離子並打斷化學鍵,不過不足以造成顯著傷害。每年宇宙射線量約為0.03侖目(依海拔而定),相當於幾次胸部X光照。

在大氣層外,宇宙射線風暴很強烈,大約一秒就有一個質子或更重的原子核穿過指甲大小的面積,總共每秒約有5000個離子貫穿身體,每個離子都會留下打斷化學鍵的痕跡,並在體內啟動先前所述發生在大氣層內的一連串反應。在宇宙射線中,少數較重的核子會造成比質子更大的傷害,因為打斷化學鍵的能力與電荷平方成正比。例如,鐵原子核所造成的傷害是質子的676倍。在這樣的輻射下待上一個星期或一個月,或許不會有嚴重後果,但是長達數年的火星之旅可就不同了。根據美國航太總署(NASA)的估計,每年太空人體內約有1/3的DNA會被宇宙射線切斷。

太空旅行危機重重

目前對於高能輻射會對生物產生什麼影響的量化資料,只有來自在核能爆炸與實驗室意外中,不幸暴露於γ射線與高速粒子短暫而猛烈攻擊下的人們身上,其細胞受到損害,且罹癌率提高。造訪火星的旅客雖然是低劑量的暴露在輻射下,不過長期下來也會累積到差不多的輻射量。沒有人知道這兩種情況是否真的相當,但兩相比較卻令人擔憂,自然的生物修復機制不一定能彌補損害。

任職於美國俄克拉荷馬市聯邦航空總署民航醫學研究所的弗里德伯格(Wallace Friedberg)與同事,最近進行了相關研究。在2005年8月發表的一份報告中,他們估計赴火星的太空人一年將會接受超過80侖目的輻射量,而相較之下,美國法律限制核能電廠工人每年不得受超過5侖目的輻射劑量。據研究,每10名男性太空人中有一人最後死於癌症,每6名女性則有一人(因為她們更容易罹患乳癌)。甚者,重核子會造成白內障與腦部損害(這方面的數字仍然相當不確定)。

當然,遍佈太空的宇宙射線風暴並不是唯一的威脅,太陽也會釋放大量質子與重原子核,以接近光速噴出。這類攻擊有時一小時內會逾數百侖目,對沒有屏障的太空人來說是致死劑量,發生於1956年2月23日的劇烈太陽閃焰就是一個眾所皆知的例子。任何防堵宇宙射線的措施,都該考慮到這些太陽風暴。即使如此,明智的火星之旅,應該計畫在太陽磁場活動最不頻繁的時候進行。



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