A simple vista, no se puede ver el clima en el espacio ni sentir los rayos cósmicos que llegan a la Tierra, pero pueden afectar sistemas críticos como nuestro clima, la conectividad de las computadoras, las comunicaciones e incluso nuestra salud.
El Profesor Regents de Física y Astronomía Xiaochun He está abordando algunas de las grandes cuestiones midiendo estos rayos cósmicos utilizando las tecnologías desarrolladas en sus proyectos de investigación de física nuclear fundamental. Él y su equipo están evaluando cómo estos rayos están afectando el clima de la Tierra, cómo pueden haber desempeñado un papel en los orígenes del universo y cómo pueden desempeñar un papel cuando el cáncer se origina en el cuerpo.
Aquí, el Dr. He comparte qué inspiró este trabajo y cómo el estudio de los rayos cósmicos puede tener un impacto aquí en la Tierra.
El clima espacial es un término general para describir las actividades solares, incluida la eyección de masa coronal del sol y cosas como las tormentas geomagnéticas. Las tormentas solares severas podrían causar interrupciones significativas en nuestro sistema de comunicación, dañar potencialmente los satélites y afectar la red eléctrica de larga distancia, por ejemplo.
La mayoría de las partículas energéticas de los rayos cósmicos (principalmente protones) tienen un origen galáctico; algunos de ellos ingresan al sistema solar y bombardean la atmósfera terrestre. Estas partículas de rayos cósmicos chocan con las moléculas de la atmósfera terrestre a unos 15 kilómetros de altitud y producen partículas secundarias (llamadas lluvias de rayos cósmicos).
Las partículas más secundarias que llegan a la superficie de la Tierra son las partículas de muones, que son detectadas por nuestros detectores. El clima espacial influye en la cantidad de partículas de rayos cósmicos que ingresan a la atmósfera de la Tierra, por lo que podemos usar los datos de nuestros detectores para estudiar los cambios en el clima espacial.
Los detectores de muones de rayos cósmicos fueron desarrollados por mis alumnos y yo en el Grupo de Física Nuclear del Estado de Georgia.
A la fecha, hemos instalado dos detectores en Sri Lanka, uno en Singapur y otro en Colombia, fuera de los EE. UU. También tenemos detectores instalados en CHARA Array en Mount Wilson, California, y en el Observatorio Apache Point en Nuevo México. .
El plan actual es instalar dos detectores más en África y uno en Serbia antes de finales de este verano. Mi objetivo a largo plazo es instalar al menos un detector en cada país del mundo, con suerte, antes de retirarme del estado de Georgia.
Las características clave de nuestro detector incluyen portabilidad, bajo costo, fácil instalación y recopilación de datos. Dado que el coste del detector es más barato que el coste de un iPhone, es prácticamente posible implementar estos detectores en muchos lugares del mundo.
El calentamiento climático provoca la expansión de la atmósfera a mayor altitud y fenómenos meteorológicos extremos en todo el mundo. Estos cambios influyen en la cantidad de partículas de rayos cósmicos registradas por nuestros detectores.
Al analizar los datos, esperamos desarrollar un modelo sólido para monitorear los patrones climáticos extremos y los cambios climáticos en la Tierra. Se necesitarán años para lograr este objetivo. Actualmente, nuestros estudiantes están desarrollando activamente herramientas de aprendizaje automático para analizar los datos existentes. El progreso evolucionará a medida que se conecten más detectores.
Tanto el clima espacial como el de la Tierra influirán en los recuentos de partículas registrados por nuestros detectores. En muchos casos, es un desafío separar estos efectos. Una de las ideas es colocar un detector más pequeño en la órbita terrestre baja para etiquetar los eventos climáticos espaciales.
El año pasado, el Dr. Ashwin Ashok y yo visitamos el Centro de Investigación Ames de la NASA y desarrollamos un prototipo siguiendo las especificaciones del CubeSat de la NASA. Según nuestros amigos de la NASA, esperamos que el prototipo pueda lanzarse al espacio en 2025.
Los rayos cósmicos existieron mucho antes de que se creara la vida en la Tierra, y son parte de la radiación natural de fondo que experimentan los seres humanos. Creo que la radiación ionizante probablemente esté relacionada con la formación de algún tipo de cáncer y me gustaría ver más investigaciones en esta área. Dado que los rayos cósmicos son radiaciones ionizantes que pueden provocar mutaciones genéticas y roturas de la doble cadena del ADN, es importante comprender el papel de los rayos cósmicos en la evolución de la vida en la Tierra, lo cual es importante para los viajes espaciales.
Además, dado que las lluvias de rayos cósmicos suelen producirse a pocos kilómetros por encima de la altitud de vuelo de los vuelos comerciales, las tripulaciones de vuelo reciben más dosis de radiación. Durante muchos años, llevé conmigo un contador Geiger cuando viajaba y registré el aumento de los niveles de radiación de rayos cósmicos entre 20 y 40 veces más en comparación con los niveles en la Tierra.
Durante mucho tiempo he estado interesado en comprender los efectos sobre la salud de estos mayores niveles de radiación. Durante los últimos dos años, pude utilizar nuestro propio detector para medir mucho mejor el aumento de la radiación de los rayos cósmicos con una precisión estadística significativa.
Además de mi investigación, impartir cursos y trabajar con un equipo de talentosos estudiantes de posgrado son algunos de los aspectos más gratificantes de mi trabajo. Tras la formación del equipo Cosmic RISE con nuestro cuerpo docente interdisciplinario, vemos una gran oportunidad de utilizar el detector recientemente desarrollado para el entrenamiento STEM.
El costo del detector es manejable y los dispositivos son portátiles y fáciles de operar. Al mismo tiempo, estos detectores hacen posible fomentar la educación STEM para los estudiantes a pesar de las diferencias culturales y las barreras lingüísticas para los estudiantes, especialmente aquellos en países en desarrollo.
Mi principal proyecto de investigación, como físico nuclear de alta energía, es hacer colisionar núcleos de oro cerca de la velocidad de la luz utilizando el Colisionador Relativista de Iones Pesados en el Laboratorio Nacional Brookhaven, que cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de Estados Unidos desde 1998. Estoy agradecido. haber podido reunir un equipo de físicos nucleares de talla mundial en el estado de Georgia, incluidos Murad Sarsour, Megan Connors y el Dr. Yang-Ting Chien.
La idea es que el estado de la materia creado a partir de los núcleos en colisión es muy caliente y denso y muy similar al estado de la materia unos pocos microsegundos después del Big Bang. A través de estos experimentos, obtendremos más conocimiento sobre la evolución del universo temprano, lo que a su vez nos permitirá tener una mejor comprensión de la formación de estrellas y galaxias cuando el universo se enfría y continúa expandiéndose. En algún momento, en presencia de radiaciones de rayos cósmicos, se crea la vida.
A lo largo de los años, pude utilizar las tecnologías de este proyecto y desarrollar detectores de rayos cósmicos para aplicaciones prácticas para resolver la preocupación más apremiante del mundo:el calentamiento climático.
Proporcionado por la Universidad Estatal de Georgia
