«Наука и жизнь» 1973, №9, с. 87-89


сканировал Игорь Степикин

ГИПОТЕЗЫ, ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ, ДОГАДКИ

КОСМОНАВТЫ НАБЛЮДАЮТ СВЕТОВЫЕ ВСПЫШКИ
Кандидат технических наук Л. СМИРЕННЫЙ

  • В 1952 году профессор Калифорнийского университета Корнелий Тобайэс высказал предположение, что после адаптации в темноте человек может увидеть проходящие через глаз тяжелые заряженные частицы. Однако люди, работающие на ядерных установках или ускорителях заряженных частиц, знают, что о наличии излучения можно судить только по показаниям специальных приборов. Они привыкли к тому, что наши органы чувств не дают сигнала о радиационной опасности. Поэтому высказанное Тобайэсом предположение вызывало сомнение.
  • Внимание к этому вопросу привлекли наблюдения, выполненные экипажем космического корабля «Аполлон-11» во время полета на Луну. Обнаруженный космонавтом Эдвином Олдрином эффект возникновения световых вспышек был для него настолько неожиданным и непонятным, что он вначале не решался сказать о нем своим товарищам. Однако на обратном пути Олдрин все же просил их проверить его наблюдения. После приземления Нейл Амстронг и Майк Коллинз признались, что они так же, как и Олдрин, наблюдали «световые точки», «черточки» и несколько «двойных точек». С этого времени почти все члены экипажей космических кораблей «Аполлон» сообщали о наблюдении вспышек, которые отличались по яркости и по форме.
  • Вспышки наблюдались после небольшой темновой адаптации и были видны только в темноте, как при открытых, так и при закрытых глазах. Частота появления вспышек колебалась и в среднем была равна одной вспышке в минуту. Американский космонавт Чарлз Конрад отмечал, что световые вспышки, которые он наблюдал на «Аполлоне-12», были настолько яркими, что он не мог бы не обратить на них внимания, если бы они возникали во время его полетов на космических кораблях «Джемини-5» и «Джемини-11». Другой космонавт, Джеймс Ловелл, сообщал, что он наблюдал вспышки во время полета космического корабля «Аполлон-13» на Луну, но при орбитальном полете на «Аполлоне-8» также не видел их.
  • Световые вспышки в околоземном космическом пространстве наблюдал только один космонавт, Н. Н. Рукавишников, во время полета на борту космического корабля «Союз-10». Во время отдыха он находился в затемненном отсеке с закрытыми глазами. Внезапно он увидел световые вспышки, которые сначала принял за сигналы мигающего светового табло, просвечивавшие сквозь веки. Однако табло горело ровным светом и яркость его была недостаточной, чтобы создавать наблюдаемый эффект.
  • Рассматривая возможные причины возникновения световых вспышек, ученые пришли к выводу, что их можно связать с воздействием заряженных частиц, входящих в состав космических лучей.
  • Наблюдение космонавтами «Аполлона-11» световых вспышек стимулировало широкий круг экспериментальных исследований не только при полетах космических кораблей «Аполлон» на Луну, но и на ускорителях заряженных частиц. Изучение этого явления представляет большой интерес как для понимания механизмов взаимодействия излучения с живой тканью, так и для оценки радиационной опасности длительных космических полетов.
  • При полете «Аполлона-16» проводилось два сеанса наблюдений: во время полета к Луне и при возвращении на Землю. Во время первого сеанса Чарльз Дьюк надевал специальное приспособление с фотоэмульсией для регистрации пролетающих частиц. Джон Янг наблюдал вспышки, надев светозащитные очки. Кен Маттингли регистрировал сообщения товарищей. Вспышки появлялись нерегулярно. Дьюк наблюдал в среднем одну вспышку за 1,3 минуты, а Янг — за 3,6 минуты. При полете к Земле все космонавты участвовали в наблюдениях, используя только светозащитные очки. Сеанс наблюдений продолжался 32 минуты. Дьюк сообщил о 15 вспышках, Янг — о 7, а Маттингли не видел ни одной вспышки. Он был первым космонавтом, не видевшим вспышек на этой трассе, начиная с космического корабля «Аполлон-11».
  • Возможно, что результаты обработки этих экспериментальных данных позволят оценить характеристики излучений, вызывающих световые вспышки. Однако в настоящее время более достоверные сведения о вспышках получены в результате экспериментов, проведенных на ускорителях заряженных частиц в США и Англии.
  • При исследованиях использовались пучки нейтронов с максимальной энергией 22 Мэв и 660 Мэв, а также пучки альфа-частиц и ускоренных ионов азота. Эксперименты были тщательно спланированы, в наблюдениях «вспышек» принимали участие такие ученые, как лауреат Нобелевской премии Е. Макмиллан, профессор К. Тобайэс, космонавт-исследователь Ф. Чапмэн и другие. Дозы облучения тщательно контролировались и были, разумеется, ниже предельно допустимых величин.
  • Наиболее интересными оказались эксперименты с пучками альфа-частиц и ионов азота. В них использовались пучки диаметром около 5 мм, что позволило четко ограничить облучаемые области. Вспышки наблюдались, когда заряженные частицы проходили через центральные отделы сетчатки глаза (направление А на рис. 2). При этом экспериментатор четко реагировал «на пучок» — на включение и выключение ускорителя. Эффект отсутствовал, когда частицы проходили через стекловидное тело и хрусталик глаза или через затылочную часть мозга, где находится корковый центр зрительного анализатора (направления В и С на рис. 2). Эксперименты позволили установить возможность возникновения световых вспышек при прохождении через сетчатку глаза частиц, которые производят на своем пути интенсивную ионизацию. К этим частицам относятся многозарядные ионы, альфа-частицы и некоторые вторичные частицы, возникшие в результате взаимодействия нейтронов с атомами биологической ткани.


    Рис. 1. Световые вспышки, изображенные на основании описаний, сделанных космонавтами и экспериментаторами.



    Рис. 2. Направления пучков заряженных частиц при экспериментах на ускорителе.



    Рис. 3. При прохождении заряженной частицы через стекловидное тело глаза на центральную часть сетчатки попадает черенковское излучение (свет).



    Рис. 4. Слепок следа заряженной частицы в пластике шлема космонавта.
  • По-видимому, во время полетов космонавтов на Луну вспышки возникали в основном тоже за счет тяжелых заряженных частиц, которые входят в состав космических лучей, приходящих к нам из глубин Галактики. При этом разница в наблюдаемых картинах и само их количество могли быть обусловлены тем, что оборудование и приборы космического корабля частично поглощали излучение, создавали неравномерное поле облучения.
  • Несколько иначе можно объяснить возникновение вспышек при полете по околоземным орбитам. Благодаря экранирующему действию магнитного поля, а в одном из направлений и самой Земли, число тяжелых частиц на этих траекториях значительно меньше. Однако при орбитальных полетах, кроме галактических излучений, на корабль будут воздействовать заряженные частицы, захваченные геомагнитным полем. Протоны, входящие в состав этих излучений, генерируют в оболочке корабля нейтроны, способные вызвать эффект вспышек, аналогичный наблюдавшемуся при экспериментах с нейтронами на ускорителях. Области заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли, в основном лежат значительно выше траекторий, по которым проходили орбитальные полеты космических кораблей. И только благодаря аномалиям геомагнитного поля области повышенной радиации наблюдаются на высотах 200 км и даже ниже.
  • Самая значительная область повышенной радиации связана с Бразильской магнитной аномалией — поток частиц в виде огромной воронки как бы спускается к ней из космоса к земной атмосфере. Космические корабли при орбитальном полете на отдельных витках попадают в такие области интенсивных потоков излучения. Но одного этого еще недостаточно для наблюдения вспышек — необходимо, чтобы прохождение корабля через область аномалии совпало с максимальной световой чувствительностью глаза, которая возникает во время пребывания человека в темноте. Этим, по-видимому, может быть объяснено то, что, кроме Н. Н. Рукавишникова, никто из космонавтов не наблюдал вспышек при полетах по околоземным орбитам.
  • Таким образом, установленное в наземных экспериментах воздействие на сетчатку тяжелых заряженных частиц удовлетворительно объясняет возникновение световых вспышек в глазах космонавтов при орбитальных и межпланетных полетах.
  • Однако остается еще немало открытых вопросов. Какие процессы проходят в клетках сетчатки? Возникает ли необратимое поражение клеток? Или так же, как при восприятии света, идут обратимые процессы в нервных клетках зрительного анализатора? Не решен вопрос о возможности возникновения вспышек в результате черенковского излучения.
  • Напомним, что черенковское излучение возникает всякий раз, когда заряженная частица проходит через прозрачную среду быстрее, чем скорость света в этой среде. При этом генерируется свет, распространяющийся в конусе вдоль движения частицы. Интенсивность черенковского излучения зависит от скорости частицы, преломляющей способности среды, и пропорциональна квадрату заряда частицы. В космических лучах имеются частицы с очень большим зарядом и высокими скоростями. Подсчеты показывают: черенковское излучение таких частиц может быть настолько сильным, что глаз его легко увидит самым обычным образом.
  • Однако экспериментального подтверждения такая гипотеза до настоящего времени не получила. Это объясняется отсутствием лабораторных источников быстрых многозарядных частиц и трудностью осуществления такого рода экспериментов в космосе. Имеющиеся ускорители тяжелых частиц не в состоянии пока обеспечить необходимые высокие энергии, а многозарядные частицы, наблюдаемые в верхних слоях атмосферы, никогда не достигают Земли. Достигающие уровня Земли частицы являются в основном однозарядными (электроны, пионы, мюоны, протоны). По имеющимся оценкам, эти частицы не способны создать черенковское излучение с интенсивностью, достаточной для непосредственного наблюдения. Это подтверждается экспериментами, проведенными с пучками пи-мезонов.
  • Попутно хочется отметить, что сам Павел Алексеевич Черенков еще в начале 30-х годов, работая с радиоактивными источниками, наблюдал своеобразное слабое свечение (при закрытых глазах), вызванное ионизирующими излучениями.
  • Весьма интересен эксперимент, в котором получали эффект свечения с помощью рентгеновских лучей. По сравнению с корпускулярным излучением пришлось примерно в 250 раз увеличить мощность дозы рентгеновского излучения, чтобы экспериментаторы ощутили в поле зрения равномерное серое свечение. При этом для того, чтобы обеспечить радиационную безопасность, пришлось значительно снизить время облучения. Таким образом, оказалось, что корпускулярное излучение во много раз эффективнее, чем рентгеновское, воздействует на сетчатку глаза.
  • Этот факт заставляет более серьезно отнестись к радиационному воздействию галактических излучений на живую ткань. Средняя интенсивность этого излучения невелика, она в среднем лишь немного превышает совершенно безопасную норму, установленную для людей, работающих с источниками ядерных излучений в наземных условиях. Однако биологический эффект, вызываемый излучением, зависит не только от средней дозы, но и от того, как была передана энергия. Различие в действии рентгеновских лучей и тяжелых заряженных частиц образно можно представить, сравнивая уколы десятка иголочек с одним уколом шпаги. Несмотря на то, что в обоих случаях площадь ран может быть одинакова, укол шпаги произведет более сильное поражение. Тяжелая заряженная частица, как шпага, врезается в ткань, нанося поражение клеткам.
  • В пластике шлемов космонавтов, летавших на кораблях «Аполлон», были обнаружены следы тяжелых заряженных частиц. На основании этих наблюдений проведены расчеты количества клеток, которые будут поражены при двухлетнем пребывании в межпланетном космическом пространстве, как это, например, может быть при полете к Марсу. Расчеты показали, что поражение невосполнимых клеток коры головного мозга составит 0,12%. В сетчатке глаз будет поражен 0,05% и в целом в нервной системе — около 1% клеток.
  • Насколько же велика радиационная опасность при длительных межпланетных полетах?
  • В условиях Земли мы еще не можем смоделировать весь диапазон космических излучений, необходимый для получения точных оценок. Не позволяют пока сделать обоснованные выводы относительно биологической опасности космических лучей и результаты исследований, выполненных в космическом пространстве.
  • В то же время эффект световых вспышек в глазах космонавтов свидетельствует, что необходимы дальнейшие исследования на ускорителях заряженных частиц и непосредственно в космическом пространстве, прежде чем мы сможем с достаточной надежностью говорить о радиационной безопасности космонавтов при длительных межпланетных перелетах.