À l'œil nu, vous ne pouvez pas voir la météo dans l'espace ni sentir les rayons cosmiques se diriger vers la Terre, mais ils peuvent avoir un impact sur des systèmes critiques comme notre climat, la connectivité informatique, les communications et même notre santé.
Xiaochun, professeur de physique et d'astronomie au Regents, s'attaque à certaines des grandes questions en mesurant ces rayons cosmiques en utilisant les technologies développées dans ses projets de recherche fondamentale en physique nucléaire. Lui et son équipe évaluent comment ces rayons affectent le climat terrestre, comment ils ont pu jouer un rôle dans les origines de l'univers et comment ils peuvent jouer un rôle lorsque le cancer prend naissance dans le corps.
Ici, le Dr He partage ce qui a inspiré ce travail et comment l'étude des rayons cosmiques peut avoir un impact ici sur Terre.
La météo spatiale est un terme général pour décrire les activités solaires, y compris l'éjection de masse coronale du soleil et des phénomènes tels que les tempêtes géomagnétiques. De graves tempêtes solaires pourraient provoquer des interruptions importantes de notre système de communication, potentiellement endommager les satellites et affecter le réseau électrique longue distance, par exemple.
La plupart des particules énergétiques des rayons cosmiques – principalement les protons – ont une origine galactique; certains d'entre eux pénètrent dans le système solaire et bombardent l'atmosphère terrestre. Ces particules de rayons cosmiques entrent en collision avec les molécules de l'atmosphère terrestre à environ 15 kilomètres d'altitude et produisent des particules secondaires (appelées pluies de rayons cosmiques).
Les particules les plus secondaires qui atteignent la surface de la Terre sont les particules de muons, détectées par nos détecteurs. La météo spatiale influence la quantité de particules de rayons cosmiques pénétrant dans l'atmosphère terrestre, c'est pourquoi nous pouvons utiliser les données de nos détecteurs pour étudier les changements dans la météo spatiale.
Les détecteurs de muons à rayons cosmiques ont été développés par moi et mes étudiants du groupe de physique nucléaire de l'État de Géorgie.
À ce jour, nous avons installé deux détecteurs au Sri Lanka, un à Singapour et un en Colombie, en dehors des États-Unis. Nous avons également installé des détecteurs au CHARA Array sur le mont Wilson, en Californie, et à l'observatoire Apache Point au Nouveau-Mexique. .
Il est actuellement prévu d'installer deux détecteurs supplémentaires en Afrique et un en Serbie avant la fin de cet été. Mon objectif à long terme est d'installer au moins un détecteur dans chaque pays du monde, je l'espère, avant de prendre ma retraite de l'État de Géorgie.
Les principales caractéristiques de notre détecteur incluent la portabilité, le faible coût, la facilité d’installation et la collecte de données. Étant donné que le coût du détecteur est moins cher que celui d'un iPhone, il est pratiquement possible de déployer ces détecteurs dans de nombreux endroits dans le monde.
Le réchauffement climatique provoque une expansion de l’atmosphère vers des altitudes plus élevées et des phénomènes météorologiques extrêmes dans le monde entier. Ces changements influencent la quantité de particules de rayons cosmiques enregistrées par nos détecteurs.
En analysant les données, nous espérons développer un modèle robuste pour surveiller les conditions météorologiques extrêmes et les changements climatiques sur Terre. Il faudra des années pour atteindre cet objectif. Actuellement, nos étudiants développent activement des outils d'apprentissage automatique pour analyser les données existantes. Les progrès évolueront à mesure que davantage de détecteurs seront mis en ligne.
L'espace et la météo terrestre influenceront le nombre de particules enregistrées par nos détecteurs. Dans de nombreux cas, il est difficile de séparer ces effets. L'une des idées est de placer un détecteur plus petit sur l'orbite terrestre basse pour marquer les événements météorologiques spatiaux.
L'année dernière, le Dr Ashwin Ashok et moi avons visité le centre de recherche Ames de la NASA et développé un prototype conforme aux spécifications CubeSat de la NASA. Selon nos amis de la NASA, nous espérons que le prototype pourra être lancé dans l'espace en 2025.
Les rayons cosmiques existaient bien avant la création de la vie sur Terre et font partie du rayonnement de fond naturel que subissent les êtres humains. Je pense que les rayonnements ionisants sont probablement liés à la formation de cancers, et j'aimerais voir davantage de recherches dans ce domaine. Étant donné que les rayons cosmiques sont des rayonnements ionisants qui peuvent provoquer des mutations génétiques et la rupture de l'ADN double brin, il est important de comprendre le rôle des rayons cosmiques dans l'évolution de la vie sur Terre, ce qui est important pour les voyages spatiaux.
De plus, étant donné que les pluies de rayons cosmiques se produisent généralement quelques kilomètres au-dessus de l’altitude de vol des vols commerciaux, les équipages de conduite reçoivent davantage de doses de rayonnement. Pendant de nombreuses années, j'avais avec moi un compteur Geiger lorsque je voyageais et j'enregistrais l'augmentation des niveaux de rayonnement des rayons cosmiques entre 20 et 40 fois plus élevés par rapport aux niveaux au sol.
Je souhaite depuis longtemps comprendre les effets sur la santé de ces niveaux accrus de rayonnement. Au cours des deux dernières années, j'ai pu utiliser notre propre détecteur pour obtenir une bien meilleure mesure de l'augmentation du rayonnement cosmique avec une précision statistique significative.
En plus de mes recherches, l'enseignement de cours et le travail avec une équipe d'étudiants diplômés talentueux sont quelques-uns des aspects les plus gratifiants de mon travail. Suite à la formation de l'équipe Cosmic RISE avec notre corps professoral interdisciplinaire, nous voyons une excellente opportunité d'utiliser le détecteur nouvellement développé pour la formation STEM.
Le coût du détecteur est gérable et les appareils sont à la fois portables et faciles à utiliser. Dans le même temps, ces détecteurs permettent d'encourager l'enseignement STEM pour les étudiants au-delà des différences culturelles et des barrières linguistiques pour les étudiants, en particulier ceux des pays en développement.
Mon principal projet de recherche, en tant que physicien nucléaire des hautes énergies, consiste à faire entrer en collision des noyaux d'or proches de la vitesse de la lumière à l'aide du collisionneur d'ions lourds relativistes du Brookhaven National Lab, soutenu par le département américain de l'Énergie depuis 1998. Je suis reconnaissant avoir pu rassembler une équipe de classe mondiale de physiciens nucléaires dans l'État de Géorgie, comprenant Murad Sarsour, Megan Connors et le Dr Yang-Ting Chien.
L’idée est que l’état de la matière créé à partir des noyaux en collision est si chaud et dense qu’il est très similaire à l’état de la matière quelques microsecondes après le Big Bang. Grâce à ces expériences, nous acquerrons davantage de connaissances sur l’évolution de l’univers primitif, ce qui nous permettra de mieux comprendre la formation des étoiles et des galaxies lorsque l’univers se refroidit et continue son expansion. À un moment donné, en présence de rayons cosmiques, la vie est créée.
Au fil des années, j'ai pu utiliser les technologies de ce projet et développer des détecteurs de rayons cosmiques pour des applications pratiques visant à résoudre le problème le plus urgent au monde :le réchauffement climatique.
Fourni par l'Université d'État de Géorgie
