Promieniowanie kosmiczne: zagadka dla astrobiologów

Promieniowanie kosmiczne: zagadka dlaastrobiologów

Franco FerrariInstytut Fizyki oraz CASA*

University of Szczecin, Szczecin

Wrocław, 10 stycznia 2011

Franco Ferrari Promieniowanie kosmiczne: zagadka dla astrobiologów

Spis treści

Promieniowanie kosmiczne (CR) w skróciePotężne kataklizmy kosmiczne: czy to ryzyko dla życia?Dawki od CR na powierzchni ZiemiCzy można odkryć ślady wpływu promieniowania kosmicznegow obecnie żyjących organizmach?


Czym właściwie jest astrobiologia?

Mówiąc najprościej, astrobiologia jest nauką, której celem jestznalezienie odpowiedzi na następujące pytania:

1 Skąd wzięło się życie i jak następowała jego ewolucja?2 Jaka jest przyszłość życia na Ziemi i gdziekolwiek indziej?3 Czy jesteśmy sami we wszechświecie?

http://www.nai.arc.nasa.gov/


Astrobiologia w Polsce


Promieniowanie kosmiczne w skrócie

Promieniowanie

kosmiczne


Promieniowanie kosmiczne w skrócie – skład

,czastki

Ziemia

protony (~79%)

α (~15%)

elektrony (~1%)

inne jadra (~5%)

W.−M. Yao et Al., Jour. Phys. G33 (2006), 1


Promieniowanie kosmiczne w skrócie – źródła

Składowa galaktyczna (GCR): rozbłyski gwiazdowe, gwiazdowekoronalne wyrzuty materii, wybuchy supernowych,cząstki przyspieszane przez pulsary

CR ultrawysokiej energii (UHECR): relatywistyczne strugi plazmy zsupermasywnych czarnych dziur, eksplozje w jądrachgalaktycznych, magnetyczne monopole (?)

Anomalne CR (ACR): cząstki w gazie międzygwiazdowym wpobliżu granicy naszego Układu Słonecznego. Cząstkite są ionizowane przez słoneczne fotony UV iprzyspieszane poprzez falę uderzeniową wytworzonątam, gdzie wiatr gwiazdowy napotykamiędzygwiazdową plazmę

Słoneczne cząstki energetyczne (SCR): cząstki przespieszane przezenergetyczne wydarzenia na Słońcu, jak na przykładrozbłyski słoneczne


Promieniowanie kosmiczne w skrócie – izotropowość

Ziemia

Srednie pole magnetyczne w naszej galaktyce: 10−10

T


Promieniowanie kosmiczne w skrócie – Energia


Potężne kataklizmy kosmiczne


Promieniowanie kosmiczne na powierzchni Ziemi


Promieniowanie kosmiczne na powierzchni Ziemi

−Skladowa mionowa

−Skladowa

−Skladowa

,padajaca czastka,

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

N, P

Dezintegracja

n, p

dezintegracji ππ

ν

pn

N

P

Np

nγ

e e

π

µ

ν

+

+

0

−110 101 km..

2m

π

γ

+

µ

µ

e

jadrowa,

Wysokoenerge−tyczne nukleony

Nukleony wytwo−

rzone w procesie

elektromagnetyczna

nukleonowa

~pierwotna ( 80% protony)



Oszacowanie skutków wydarzenia kosmicznego na Ziemi.

p

Ziemia

R

p = źródło CRLp = jasność źródła CR [erg/s]R = odległość między źródłem i ZiemiąECR

D ∼ 1 MeV/m3 = aktualna gęstość energii promieniowaniakosmicznego w pobliżu ZiemiEp

D = gęstość energii CR pochodzącego ze źródła p w pobliżuZiemi



EpD zaczyna być istotne kiedy Ep

D = N · ECRD , N = 1, 2, 3, . . .

Łatwo policzyć jaka ma być odległość R źródło–Ziemia:

R =1√N

√Lp

4πcECRD

np. dla pozostałości po supernowej Lp ∼ 1039erg/s. Wtedy

R ∼ 1√N· 14pc

(1 pc = 3.26 lat świetlnych)



Z tego wynika, że źródło musi być stosunkowo blisko Ziemi, abyspowodować istotne efekty.

Oczywiście założyliśmy, że źródło promieniuje isotropowo. To jestw przybliżeniu spełnione w przypadku pozostałości po supernowej,ale inne obiekty kosmiczne mogą emitować wysoko skolimowanepromieniowanie kosmiczne.

GN

GN

Ziemia



Strugi cząstek wyemitowanych przez łączące się gwiazdyneutronowe mogą trwać od jednego dnia do około miesiąca. Gdybyjedna z tych strug skierowana była dokładnie w stronę Ziemi,energia promieniowania kosmicznego przekazana w ciągu tego czasupowierzchni naszej planety wynosiłaby 12TeV/cm2. Jest torównoważne energii przekazanej przez galaktyczne promieniowaniekosmiczne w ciągu 10 milionów lat.


Dawki promieniowania kosmicznego na powierzchni Ziemi

10 10 10 1 10 10 10 10 10−3 −2 −1 2 3 4 5

10

10

10

10

10

10

−2

−4

−6

−8

−10

−12

µ + µ

Protony

Neutrony

µ

− +

Strumienie czastek na poziomie morza

,

Elektrony,Energia czastki (MeV)

,

Str

um

ien (

licz

ba

czas

tek/c

m s

MeV

)2



900 m

30 rownoleznik.

Średnia dawka efektywna = 380µSv/rok



W sumie, energia przekazana powierzchni Ziemi przez CR jestmała, około 10−9 energii pochodzącej ze Słońca. Maksymalnadopuszczalna dawka dla pracowników elektrowni jądrowych wynosina przykład 50 mSv rocznie.Jednakże, powyższe dane są znaczące tylko w pewnej swej częścidla celów astrobiologii.Przede wszystkim, dawka efektywna jest wielkością, która dotyczytylko populacji ludzkiej i jako skutek biologiczny bierze pod uwagązasadniczo indukcję nowotworu złośliwego. Jednakże, w epokachważnych dla astrobiologii, na przykład w erze geologicznej Archaiku,gdy życie dopiero powstawało, organizmy były z pewnościąodmienne od gatunku ludzkiego. Bardzo prawdopodobne jest to, żepierwsze żywe organizmy miały bardzo niestabilne DNA, który mógłw sposób prosty podlegać mutacji pod wpływem zewnętrznychczynników, dużo bardziej niż DNA obecnie żyjących bakterii.


Ślady wpływu promieniowania kosmicznego w obecnieżyjących organizmach

Ponieważ teoria nie potrafi określić wpływu różnego typupromieniowania na układy biologiczne należy traktować efektynapromieniowania jako efekty stochastyczne i uciec się do pomiarówdoświadczalnych, gdzie są mierzone skutki naświetlenia wielukomórek. Możliwą strategią jest porównanie skuteczności danegotypu promieniowania w wytwarzaniu uszkodzeń ze skutecznościąpromieniowania odniesienia.

W tym celu należy wybrać dany skutek biologiczny i danepromieniowanie odniesienia.


Ślady wpływu promieniowania kosmicznego

Trudno jest wyobrazić sobie, jakie skutki mogło wywołaćpromieniowanie jonizujące w ówcześnie żyjących praojcowskichorganizmach.

Parametry fizyczne są najłatwiejszymi do odtworzenia wlaboratoriach, chociaż nie wiemy z całą pewnością jakie byływarunki fizyczne na powierzchni Ziemi, gdy rodziło się życie.



Jeszcze bardziej skomplikowane jest odtworzenie parametrówbiologicznych przy braku jakichkolwiek informacji o tym, jakwyglądały organizmy w pierwszych milionach lat historii życia.

Wykorzystując komórki prokariotyczne, czy jakikolwiek inny rodzajorganizmu w celu wytropienia możliwych skutków wywołanychdługotrwałym działaniem promieniowania kosmicznego na życie,należy jednak pamiętać, że czułość tych organizmów napromieniowanie zmienia się silnie od jednego gatunku do drugiego.



Nawet komórki eukariotyczne, takie jak komórki ssaków należącychdo różnych zwierząt, które są do siebie podobne w sensiegenetycznym, odmiennie reagują na promieniowanie jonizujące.

W przypadku komórek prokariotycznych sytuacja jest jeszczebardziej ekstremalna. Bakteria Deinococcus radiodurans możeprzetrzymać bez utraty swojej funkcjonalności dawkę 5000 Gy,podczas gdy dla bakterii jak na przykład Escherichia Coli dawka60 Gy jest śmiertelna.



W sumie, w celu wytropienia możliwych skutków wywołanychdługotrwałym działaniem promieniowania kosmicznego na życie,należy raczej skoncentrować się na szukaniu uniwersalnych cech,które pojawiają się w reakcjach organizmów na napromieniowanie,ponieważ najbardziej prawdopodobne jest to, że niektóre z tychcech mogą być kształtowane przez długoterminowe skutkipromieniowania kosmicznego.

Prawdę mówiąc, od zawsze CR tworzyło prawie jednorodne tłopromieniowania jonizującego na powierzchni Ziemi. Tło to jestobecnie wszędzie, nawet pod Ziemią, dzięki wysoce przenikliwejmocy mionów.


Zakończenie: możliwe uniwersalne cechy

Możliwa zwiększona odporność organizmów na promieniowanieo niskim LET (Linear Energy Transfer - Liniowe PrzenoszenieEnergii) jakim są miony w stosunku do odporności napromieniowanie o wysokim LET jak protony.

LET oznacza energię zaabsorbowaną w materii na jednostkędrogi cząstki:

LET =dEdx

Rzeczywiście większość dawek efektywnych wskutekpromieniowania kosmicznego dociera do Ziemi w formiemionów podczas gdy protony są zatrzymane przez atmosferęna większych wysokościach.



Jeszcze inna cecha może być związana z faktem że, przedpojawieniem się cjanobakterii procentowa zawartość tlenu watmosferze była znacznie mniejsza niż w czasach obecnych.Zatem, możliwe jest, że wciąż jeszcze najbardziej prymitywneorganizmy są szczególnie odporne na te typy promieniowania,które są łatwo zatrzymywane przez molekuły tlenu.

Przeciwnie, najbardziej rozwinięte formy życia, które powstałykiedy tlen był już obecny w atmosferze mogłyby być bardziejczułe na wyżej wspomniane typy promieniowania.



Byłoby także interesującym zmierzyć jak zmienia się RBE (RelativeBiological Effectiveness - Względna Skuteczność Biologiczna)wraz zLET dla różnych skutków biologicznych w przypadku komórekprokariotycznych. Podobne pomiary przeprowadzone na komórkachssaków pokazują istotnie, że dla wielu skutków biologicznychkrzywe, które dają zależność RBE od LET, mają zawsze jakościowąpostać daną na rysunku w następnym slajdzie.

RBE =DX

DZ

DX = dawka pochłonięta ( dEdM ) promieniowania odniesienia, która

jest konieczna do wytworzenia wybranego efektu biologicznego.Dz = dawka pochłonięta promieniowania Z , która jest niezbędnado otrzymania takiego samego efektu.



1 10 100 1000

RB

E

LET (keV/mikron)


Zakończenie: możliwe uniwersalne cechyZróżnicowanie pod względem wysokości dla różnych jonów



Uzasadnione jest dlatego podejrzenie, że za tym zachowaniem kryjesię pewna uniwersalność związana ze skutkami działaniapromieniowania kosmicznego.


LiteraturaFranco Ferrari oraz Ewa Szuszkiewicz, Astrobiologia: Poprzezpył kosmiczny do DNA, Wydawnictwo Naukowe UniwersytetuSzczecińskiego, Szczecin, 2006, ISBN: 83-7241-517-X.

F. Ferrari and E. Szuszkiewicz, Cosmic Rays: A Review forAstrobiologists, Astrobiology 9 (4) (2009), 413.


Promieniowanie kosmiczne: zagadka dla astrobiologów

Documents

Transcript of Promieniowanie kosmiczne: zagadka dla astrobiologów