Peligros de los rayos cósmicos

Todos los rayos cósmicos de ultra alta energía provienen de muy, muy lejos (cualquier cosa con el poder de crearlos cerca constituiría un peligro para la vida tal como la conocemos). Creo que el mecanismo preferido en estos días es la aceleración dinámica en los chorros formados por núcleos galácticos activos, pero no me cites.

De todos modos, aunque son ultrarrelativistas, eso significa que son partículas estables. En su mayoría protones, de hecho.

Cuando un protón de ultra alta energía atraviesa una cantidad modesta de materia, como un astronauta, podemos modelar su pérdida de energía de manera muy simple. El gráfico en el Libro de datos de física de partículas, en realidad no es lo suficientemente alto, pero podemos extrapolar y decir que la pérdida de energía sigue siendo menor que$10\text{ MeV/g/cm}^2$. Nuestro astronauta tiene una densidad bastante cercana$1\text{ g/cm}^3$y un grosor medio (teniendo en cuenta todas las relaciones de aspecto) de unos 50 cm. Entonces, la energía total esperada es de solo 500 MeV.

Es radiación ionizante, por supuesto, pero no cualitativamente diferente del resto del fondo cósmico.

Si la nave espacial es una pequeña lata de paredes delgadas con un poco de aire, la situación es solo un poco peor. Hay más posibilidades de ducharse. Pero es solo una dosis más alta, en lugar de ser una muerte espectacular.

Estos son raros, del orden de uno por milla cuadrada por siglo. Consulte Rayos cósmicos de ultra alta energía (Wikipedia). Entonces, un ser humano, con un área de sección transversal de menos de 1 metro cuadrado, podría recibir un golpe aproximadamente una vez cada 100 millones de años. Creo que el riesgo de vida debido al mal funcionamiento de la nave espacial es significativamente mayor que esto.

Y cuando golpean la atmósfera de la Tierra, gastan su energía en toda la profundidad de la atmósfera. No se enyesa una sola región. (De lo contrario, se habrían detectado mucho antes, por el sonido del aire sobrecalentándose). El espesor de la atmósfera, en términos de masa equivalente de agua, es de alrededor de 10 metros de agua. Esto es mucho más grueso que la distribución de peso equivalente de una nave espacial. Así que mi conclusión final es que si una nave espacial es golpeada por uno, la mayor parte de la energía saldrá por el otro lado de la nave espacial.

Por otro lado, los rayos cósmicos de todo tipo pueden dañar la electrónica. Puede cambiar unos a ceros o viceversa, y creo que un rayo de energía tan alta como este podría dañar un componente.

Para examinar de manera realista las naves espaciales en términos de cómo actúan los rayos cósmicos en ellas, es útil usar números para una nave espacial real. Además de una delgada carcasa de metal, una nave espacial también tiene almacenamiento de gas, almacenamiento de combustible y un lugar para ir al baño. Y una nave espacial debe construirse sólidamente, incluso si no tiene que aterrizar en la tierra. Son objetos grandes y pesados.

Por ejemplo, la Estación Espacial Internacional (ISS) pesa 375 000 kg y tiene un volumen presurizado de 907 m^3:

Así su densidad es de 375.000/907 = 413 kg/m^3 casi la mitad que la del agua, y tiene una distancia entre choques inelásticos de unos 3,7 cm.

La mayor parte de la nave espacial consiste en paneles solares. Sin embargo, como cualquier otra materia nuclear, estos generarán cascadas cuando sean impactados por un rayo cósmico. La longitud de la embarcación (a lo largo de su compartimiento de tripulación) es de 51 metros. Con el volumen presurizado, si éste fuera un cilindro su diámetro sería de unos 4,8 metros.

Con una distancia de 51 metros y una densidad de 0,41 la del agua, la dimensión larga de la ISS equivale a 20 m de agua. Esto es el doble de la profundidad de la atmósfera terrestre. La distancia corta es de alrededor de 2 m de agua o 1/5 de la atmósfera terrestre. Esto es suficiente para comenzar una ducha.

Estos cálculos son el peor de los casos porque han imputado todo el peso de la nave espacial al volumen presurizado. Un cálculo más preciso implicaría una nave espacial que no tenga paneles solares. Un ejemplo de esto sería el transbordador espacial estadounidense. Con carga útil, es de 93 000 kg (peso máximo de aterrizaje 104 000 kg). La longitud es de 37 m con una envergadura de 24 m. El diámetro del compartimento principal de la tripulación parece ser de unos 7 m.

Bajo el supuesto de que la nave espacial es un cilindro de 37 m de largo y 7 m de diámetro, su volumen es de alrededor de 1400 metros cúbicos y su densidad es de alrededor de 74 kg/m^3. Por lo tanto, una partícula que viaje a lo largo de la nave encontrará aproximadamente 37 mx 74 kg/m^3 = 2,7 metros de agua equivalente. Con 1/4 del espesor de la atmósfera terrestre, esto es suficiente para poner en marcha una buena cascada.

Anna v señala que el área de la sección transversal (inelástica) para una colisión protón-protón de energía extremadamente alta es solo alrededor de 1 barn o 1.0E-28 m ^ 2. En realidad, su artículo (1984) da 530 mb, pero a energías muy altas, la sección transversal es desconocida y podría exceder un granero, ver figura (4):
Nucl.Phys.Proc.Suppl.196:335-340 (2009) , Ralf Ulrich, Ralph Engel, Steffen Müller, Fabian Schüssler, Michael Unger Proton-Air Cross Section and Extensive Air Showers
http://arxiv.org/abs/0906.3075

La masa del protón es de aproximadamente 1,6E-27 kg, y un metro cúbico de agua pesa 1000 kg (casi en su totalidad nucleones, es decir, protones y neutrones). Así hay 1000/1.6E-27 = 6.25E+29 nucleones por metro cúbico de agua. Multiplicando por el área de la sección transversal se obtiene un área de la sección transversal total/m^3 de 62,5 m^2. Así, la distancia a la que dicho protón comienza una cascada, en el agua, es de aproximadamente 1/62,5 m = 1,6 cm, y cuando la partícula ha salido del cuerpo humano 50 cm después, ha tenido unas 31 colisiones de este tipo. Así, el tamaño del cuerpo humano es suficiente para iniciar una cascada de rayos cósmicos.

En una nave espacial práctica de larga distancia, es importante proteger a la tripulación de los rayos cósmicos y las erupciones solares. Una de las sugerencias para hacer esto es con escudos compuestos por 7 kg de aluminio por metro cuadrado, lo que equivale a unos 0,7 cm de espesor de agua: http://arxiv.org/abs/astro-ph/0701314 Así hay alrededor de un 50% probabilidad de que un rayo cósmico de alta energía inicie una cascada al atravesar este espesor.

También se debe tener en cuenta que es la partícula, no la lluvia, la que atraviesa al astronauta en la estimación anterior de dmckee, donde trata a la partícula relativista que atraviesa la materia.

La lluvia en su pregunta que proporcionó la estimación de energía de la partícula principal se genera mediante colisiones en cascada / secuenciales de dispersión de ángulo profundo en un camino largo. La energía no se libera de una sola vez a menos que el astronauta tenga muy mala suerte.

La sección transversal de dispersión inelástica profunda a esas energías todavía no está a la altura de los valores de granero (un granero tiene aproximadamente el tamaño de un núcleo de uranio), por lo que el astronauta tendría que tener mucha mala suerte incluso para obtener una dispersión energética y mucho menos para comenzar una lluvia.