Med blotta ögat kan du inte se vädret i rymden eller känna de kosmiska strålarna som strålar ner till jorden – men de kan påverka kritiska system som vårt klimat, datoranslutning, kommunikation och till och med vår hälsa.

Regents professor i fysik och astronomi Xiaochun Han tar sig an några av de stora frågorna genom att göra mätningar av dessa kosmiska strålar med hjälp av de teknologier som utvecklats i hans grundläggande kärnfysiska forskningsprojekt. Han och hans team mäter hur dessa strålar påverkar jordens klimat, hur de kan ha spelat en roll i universums ursprung och hur de kan spela en roll när cancer uppstår i kroppen.

Här berättar Dr. Han om vad som inspirerade detta arbete och hur studier av kosmiska strålar kan påverka här på jorden.

Vad är rymdväder och varför måste vi övervaka det?

Rymdväder är en allmän term för att beskriva solaktiviteter, inklusive koronal massutkastning från solen och saker som geomagnetiska stormar. Allvarliga solstormar kan orsaka betydande avbrott i vårt kommunikationssystem, potentiellt skada satelliter och påverka till exempel elnätet på långa avstånd.

Är kosmiska strålar annorlunda än rymdväder?

De flesta av de energiska kosmiska strålpartiklarna – främst protoner – har ett galaktiskt ursprung; några av dem kommer in i solsystemet och bombarderar jordens atmosfär. Dessa kosmiska strålpartiklar kolliderar med molekylerna i jordens atmosfär på cirka 15 kilometers höjd och producerar sekundära partiklar (kallade kosmiska strålduschar).

De mest sekundära partiklarna som når jordens yta är muonpartiklar, som detekteras av våra detektorer. Rymdvädret påverkar mängden kosmiska strålar som kommer in i jordens atmosfär, och det är därför vi kan använda data från våra detektorer för att studera förändringarna i rymdvädret.

Ditt team har utvecklat kosmiska stråldetektorer för att samla in kritiska mätningar, inklusive rymd- och jordväderövervakning. Vad är målet med detta arbete?

Myondetektorerna för kosmisk strålning har utvecklats av mig och mina elever i Nuclear Physics Group i Georgia State.

Från och med idag har vi installerat två detektorer i Sri Lanka, en i Singapore och en i Colombia, utanför USA. Vi har också detektorer installerade vid CHARA Array på Mount Wilson, Kalifornien, och vid Apache Point Observatory i New Mexico .

Den nuvarande planen är att installera ytterligare två detektorer i Afrika och en i Serbien före slutet av denna sommar. Mitt långsiktiga mål är att installera minst en detektor i alla länder i världen, förhoppningsvis, innan jag går i pension från Georgia State.

Vad gör dessa detektorer unika och viktiga?

De viktigaste funktionerna i vår detektor inkluderar portabilitet, låg kostnad, enkel installation och datainsamling. Med tanke på att kostnaden för detektorn är billigare än kostnaden för en iPhone, är det praktiskt möjligt att distribuera dessa detektorer till många platser över hela världen.

Hur hjälper dessa detektorer att samla in data om hur vårt klimat förändras?

Klimatuppvärmningen gör att atmosfären expanderar till högre höjder och extrema väderhändelser över hela världen. Dessa förändringar påverkar mängden kosmiska strålar som registreras av våra detektorer.

Genom att analysera data hoppas vi kunna utveckla en robust modell för att övervaka extrema vädermönster och klimatförändringarna på jorden. Det kommer att ta år att uppnå detta mål. För närvarande utvecklar våra studenter aktivt verktyg för maskininlärning för att analysera befintlig data. Framstegen kommer att utvecklas när fler detektorer kommer online.

En del av ditt arbete inkluderar ett projekt som kommer att designa detektorer för ett mikrosatellit NASA-uppdrag. Berätta mer om det här arbetet.

Både rymden och jordens väder kommer att påverka antalet partiklar som registreras av våra detektorer. I många fall är det en utmaning att skilja dessa effekter åt. En av idéerna är att placera en mindre detektor vid den låga jordens omloppsbana för att märka rymdväderhändelserna.

Förra året besökte jag och Dr Ashwin Ashok NASAs Ames Research Center och utvecklade en prototyp efter NASA:s CubeSat-specifikationer. Enligt våra vänner på NASA hoppas vi att prototypen kan skjutas upp i rymden 2025.

Utöver den påverkan kosmiska strålar kan ha på atmosfären, tror du att de till och med kan spela en roll för människors hälsa. Kan du dela med dig av något av det arbete du är intresserad av?

Kosmiska strålar fanns långt innan liv skapades på jorden, vilket är en del av den naturliga bakgrundsstrålning som människor upplever. Jag tror att joniserande strålning sannolikt är kopplad till viss cancerbildning, och jag skulle vilja se mer forskning inom detta område. Eftersom kosmisk strålning är joniserande strålning som kan orsaka genmutation och dubbelsträngad DNA-brytning, är det viktigt att förstå den kosmiska strålningens roll i livets utveckling på jorden, vilket är viktigt för rymdresor.

Dessutom, eftersom de kosmiska strålskurarna vanligtvis inträffar några kilometer över flyghöjden för kommersiella flygningar, tas fler strålningsdoser emot av flygbesättningarna. Under många år bar jag en geigerräknare med mig när jag reste och registrerade ökningen av strålningsnivåer från kosmisk strålning mellan 20 och 40 gånger högre jämfört med nivåerna på marken.

Jag har länge varit intresserad av att förstå hälsoeffekterna av dessa ökade strålningsnivåer. Under de senaste två åren har jag kunnat använda vår egen detektor för att få en mycket bättre mätning av den kosmiska strålningens ökning med betydande statistisk noggrannhet.

Du tror också att dessa detektorer kan hjälpa till att inspirera mellan- och gymnasieelever att lära sig mer om STEM-forskning. Kan du dela mer om det?

Utöver min forskning är undervisning i kurser och att arbeta med ett team av begåvade doktorander några av de mest givande aspekterna av mitt arbete. Efter bildandet av Cosmic RISE Team med vår tvärvetenskapliga fakultet ser vi en stor möjlighet att använda den nyutvecklade detektorn för STEM-träning.

Detektorkostnaden är hanterbar, och enheterna är både bärbara och lätta att använda. Samtidigt gör dessa detektorer det möjligt att uppmuntra STEM-utbildning för elever över kulturella skillnader och språkbarriärer för elever, särskilt de i utvecklingsländer.

Tillsammans med ditt arbete med att upptäcka kosmisk strålning bedriver du också forskning vid Relativistic Heavy Ion Collider vid Brookhaven National Laboratory. Hur hänger allt detta ihop?

Mitt huvudsakliga forskningsprojekt, som kärnfysiker med hög energi, är att kollidera guldkärnor nära ljusets hastighet med hjälp av Relativistic Heavy Ion Collider vid Brookhaven National Lab, som har stötts av U.S. Department of Energy sedan 1998. Jag är tacksam. att ha kunnat sammanställa ett team av kärnfysiker i världsklass i Georgia State, inklusive Murad Sarsour, Megan Connors och Dr. Yang-Ting Chien.

Tanken är att materiatillståndet som skapas från de kolliderande kärnorna är så varmt och tätt och är väldigt likt materientillståndet några mikrosekunder efter Big Bang. Genom dessa experiment kommer vi att få mer kunskap om utvecklingen av det tidiga universum, vilket i sin tur gör att vi kan få en bättre förståelse för bildandet av stjärnor och galaxer när universum svalnar och fortsätter att expandera. Vid någon tidpunkt, i närvaro av kosmisk strålning, skapas liv.

Under årens lopp har jag kunnat använda teknikerna från det här projektet och utvecklat detektorer för kosmisk strålning för praktiska tillämpningar för att lösa det mest akuta problemet i världen – klimatuppvärmningen.

Tillhandahålls av Georgia State University