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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 [:1700036955]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 宇宙射线
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可惜的是，对于宇宙射线，目前还没有告警或保护措施。这些原子大小的子弹会每周7天、每天24小时从各个方向不间断地射向你。宇宙射线来自太阳系以外的外太空，由遥远的恒星在爆炸时产生，主要由质子和较重的原子核组成，以接近光速的速度移动。与太阳辐射不同的是，宇宙射线不会成批出现，不会强烈到让你立刻生病或死亡，宇宙射线只是在慢慢地侵蚀你的大脑。
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在地球和ISS上，大多数宇宙射线都无法伤害到我们。这些宇宙射线也被称为银河宇宙射线或高能重粒子（HZE）。偶尔会有一些粒子窜入大气层，撞击到上层大气，产生二级和三级粒子的级联。通常发生的情况是，宇宙射线与氮和氧（大气中含量最丰富的两种原子）发生碰撞，将它们撞开，释放出中子、电子，以及更奇特的物质，如µ介子、π介子、α粒子，甚至X射线。但是这些粒子一路上要穿越厚厚的大气层，所以辐射还没有到达地球表面就衰减或被吸收了。事实上，直到1912年，奥地利物理学家维克多·弗朗茨·赫斯（Victor Franz Hess）才通过高空气球携带静电计探测到了宇宙射线。我前面提到过，与普通人群相比，飞行员乃至空乘人员受到的辐射更多。其中大部分是宇宙射线。
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阿波罗宇航员亲眼见到了宇宙射线的效果……就是字面上的见到。经常会有宇宙粒子穿过他们的眼窝，产生闪光。后来这种现象被称为宇宙射线可视现象。其中的生物学过程还不清楚。宇宙射线有可能撞到了视神经，或者穿过凝胶状玻璃体，产生了亚原子粒子级联，就像大气中所发生的事情一样。阿波罗宇航员在前往月球的途中穿过了磁层，他们每3～7分钟就能感觉到一次闪光。[13] 宇航员对这些闪光的描述各式各样，说明可能发生了各式各样的物理相互作用。据报道，闪光的形状有斑点、小点、星星、直线、条纹、彗星、水渍或云等。以上顺序按照出现频率由大到小排列。闭上眼睛也没用。宇航员报告说，即使在他们闭上眼睛要睡觉的时候也会出现闪光。
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当然，眼睛只是身体的一小部分。宇宙射线可视现象的存在意味着整个身体在昼夜不停地受到宇宙射线的轰击；每秒钟有成千上万的射线穿过你的身体。芝加哥大学物理学家尤金·帕克（Eugene Parker）说，你在星际空间的每一年，都会有1/3的DNA被宇宙射线切割。[14] 这种伤害太大了，人体自身的DNA修复机制已经无法控制。我们还必须记住，我们不是独自去往太空的。我们携带着数以亿计的细菌、病毒和真菌，它们以微生物群的形式存在，在维持健康方面发挥着重要作用。例如，肠道里的微生物群有助于消化食物。宇宙射线可能杀死它 们，或以其他方式导致我们的微生物产生突变，带来未知的风险。飞船或基地外面只有包裹非常厚的屏蔽层或某种微型磁层（我将在下面讨论），才能阻止这些宇宙射线在太空中穿过你的身体。这不仅对太空飞行有重大影响，对太空生活也有重大影响。在月球、火星以及我们磁层以外的任何其他地方建立基地，无论离太阳有多远，如果没有适当的防护，我们都会被宇宙射线淹没。当你身处外太空时，只能与眼中的闪光相伴，而这些闪光会造成无法估量的伤害，更不用说这种辐射暴露带来的其他后果。与科幻小说中最愚蠢的说法刚好相反，宇宙射线不会使你成为超人。
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啮齿类动物和太空辐射相互关系的研究结果一直处于模棱两可的状态。加州大学爱尔文医学院（Irvine School of Medicine）的放射肿瘤学教授查尔斯·利莫里（Charles Limoli）领导了一项由NASA资助的研究，将实验室小鼠暴露在辐射下，辐射水平相当于为期6个月的火星单程旅行中的预期辐射水平。他的团队发现，辐射会造成严重的长期脑损伤，包括认知障碍和痴呆，这是大脑炎症和啮齿类动物神经元受损的结果。[15] 小鼠脑细胞中的树突和棘突急剧减少，就像一棵失去了叶子和树枝的树，扰乱了神经元之间的信号传递。辐射还会影响大脑中通常会抑制不愉快的、将会导致压力联想的部分。这一过程被称为“恐惧消退”，如果这一过程失效，就会导致焦虑。2016年，利莫里在其研究期间对我说：“这对那些花两三年时间往返火星的宇航员来说，可不是什么好消息。”[16]
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然而，人们在动物实验中常常发现，实验中 的辐射吸收剂量率在每分钟0.05～0.25戈瑞——远高于人类火星任务的预期。按照人们的预期估计，6个月任务的总剂量为1 戈瑞或100拉德，随时间均匀分布。科学家不可能将小鼠放到真实的太空栖息地并让它们在太空辐射下持续暴露6个月。取而代之，小鼠在布鲁克海文国家实验室NASA太空射线实验室（NASA Space Radiation Laboratory at Brookhaven National Laboratory）遭到了来自粒子加速器的猛烈的辐射轰击，然后观察了6个月。辐射剂量率真的很重要。在1小时内喝6瓶啤酒可能会让你喝醉，但6小时喝6瓶啤酒也许就不会。相同的辐射暴露，不同的辐射率。各项研究需要进行更好的设计，来真正测试宇航员到达火星时是神志清醒还是“因辐射而晕头转向”。
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其他研究人员发现，在模拟空间环境中，质子辐射会导致小鼠出现注意力缺陷和任务表现不佳，[17] 而高能重粒子会导致与阿尔茨海默病相关的β淀粉样蛋白斑块增长。[18] 我们从临床研究中发现，接受某些种类脑癌放疗的人可以治愈，但他们的认知功能明显下降。描述这个现象的术语是辐射引起的认知衰退。在所有接受头部放射治疗并存活至少6个月的癌症患者中，有一半以上的患者会出现进行性认知障碍，尤其是在处理速度（快速思考）和记忆力方面。[19] 但是，这一结果仍然不能直接应用到太空中，因为患者只是在几个月的时间里接受强烈的辐射，而在太空中，火星之旅过程中暴露在辐射下的时间跨度接近3年。
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一位接受过伽马刀手术的患者8年后的头部CT影像
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接受放射治疗以缩小脑瘤或畸形物的病人，由于意外的辐射损伤周围脑组织，常常会出现进行性认知障碍。如图，一名39岁的妇女在接受伽马刀治疗8年后，出现脑水肿（肿胀）和脑萎缩（缩小）。在往返火星的旅途中暴露在宇宙射线下，有可能造成类似的伤害。
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早在20世纪90年代，前文提到的NASA辐射健康官员弗朗西斯·库奇诺塔，就率先对宇航员暴露在不安全的宇宙射线中提出了警告。库奇诺塔在NASA工作了30 多年后离开，前往拉斯维加斯的内华达大学任教。2017年，他公布了一项基于癌症模型的研究，揭示了宇宙射线如何将其损害扩大到其他健康的非靶“旁观”细胞，从而使癌症风险加倍。[20] 由于该系列研究及其非确定性的结果，NASA不得不考虑将宇航员送往火星的道德问题。航天局提出知情同意书的方式，以便相关人员接受可能存在的风险。NASA相关资深人士认为，宇航员是健壮的人群，实际上他们愿意为此牺牲或缩短寿命。
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美国国家科学院（National Academy of Sciences，NAS）是一个由美国顶尖科学家组成的团体。它根据NASA的请求，“制定了行为准则，并确定‘在现有健康标准不能完全满足’，或根据现有证据无法制定适当标准的情况下，指导长期探索任务的健康标准决策的原则”。美国国家科学院最终在2014年指出，“放松（或解除）当前的健康标准，允许进行某些长期探索任务，在道德上是不可接受的”。[21] 但是，美国国家科学院委员会基于收益—风险以及尊重自主选择的原则，给了NASA一条出路。收益—风险可能被人故意搞得含糊不清，因为根本就没有必要进入太空，而收益或价值则完全取决于我们所赋予它的东西。对自主选择的尊重让宇航员成为英雄，只要他们愿意，只要利益大于风险，就好比一个消防员冲进起火的大楼去救一个孩子。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 要是存在力场就好了
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怎么才能降低风险呢？防护，大量的防护。宇宙射线比太阳辐射能量更大。从根本上说，它移动得更快；其中一些原子，如铁原子核，比太阳风中的质子和电子要重得多。铁原子核的能量是氢原子核的数百倍，因为氢原子核里 就一个质子。没有什么比脆弱的屏蔽更加糟糕的，因为二级级联粒子就像飞溅的弹片一样，杀伤范围更广。宇宙飞船那层薄薄的金属，仅仅是对宇宙射线的撞击起到了散射作用，把一颗快速子弹变成了几十颗速度稍慢的子弹而已。飞船需要厚厚的防护，厚到什么程度，是一个简单的物理——和经济——问题（你记住这个等式：厚度等于质量，质量等于金钱）。
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几厘米厚的铅就可以。但这将使任务的载重增加数百吨，因此要多花数十亿美元。水可以提供有效的防护。无论如何，我们都需要带上水。因此，工程师们正在研究一个方案，将包裹整个飞船的外壳充满水。但是，保护一艘尺寸足以将乘组送往火星的飞船，需要大量的水——也就是说，远远多于你需要饮用的水。你也可以用废弃物作为额外的保护。虽然材料有限，但这一招很管用。一种质量很小、非常有效的防护物是氢气，但你需要高压舱室来装氢气，而带上太多的质量，又会把我们带回到那个等式里。
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答案是有可能采用组合的方法来解决防护问题，使防护材料具有双重作用。在这方面，氢化氮化硼纳米管（BNNT）显示出巨大潜力。[22] 这些管子由碳、硼和氮制成，非常轻，能够承受热量和压力，而且足够坚固，可以作为整个航天器的主要承重结构。这些管子可以充入氢气或水，作为主要的辐射防护。硼可以很好地吸收二级中子，使辐射级联效应最小化。与碳纳米管一样，BNNT目前价格昂贵，但在不久的将来价格可能会降下来。如果不能整艘飞船都使用这样的防护罩，那么只在睡觉的舱室使用可能也可以。如果宇航员每天睡觉或休息8小时，就能把辐射暴露有效地减少1/3。虽然我们无法得到与地球一样的完善保护，但部分保护措施也能降低健康风险，缓解所有人的担忧。
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位于瑞士的欧洲核子研究组织（Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire，CERN）的研究人员正在研究一种磁场，这种磁场可以用作微型磁层，使宇宙射线产生自然偏转。2014年，欧洲核子研究组织打破了一项纪录，在24开尔文（约-249℃）的温度下，在一条由两条20米长的二硼化镁（MgB2 ）超导体电缆组成的电力传输线中产生了2万安培的电流。这预示着在地球上可以进行更便宜、更可靠的电力传输。与此同时，欧洲核子研究组织还参加了欧洲太空辐射超导防护（European Space Radiation Superconducting Shield）项目，将该技术应用于航天器和太空栖息地。该项目的目标是创造一个强度为地球磁场3000倍的磁场，其直径为10米，可以保护飞船内和飞船外的宇航员。欧洲核子研究组织正在研究采用二硼化镁超导带重构太空电子线圈的方法。
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所有这些东西，也就是这些神奇的材料和力场，投入应用还需要几年的时间。近期还没有解决宇宙射线问题的办法，只有希望它不会像实验室研究预测的那样糟糕。
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