NASA'nın Artemis I görevi Ay yakınındaki kozmik radyasyonun Dünya yörüngesine göre daha yüksek olduğunu ancak bilim insanlarının beklediğinden daha az farkla olduğunu ortaya koydu. Küçük deneysel dedektörler aynı zamanda radyasyonun insan vücudundan nasıl geçtiğine dair sürpriz ayrıntılar da keşfetti ve gelecekteki ay keşifleri için değerli bilgiler sundu.
NASA'nın Artemis I görevi, astronotların Ay yakınında düşük Dünya yörüngesine kıyasla ne kadar kozmik radyasyona maruz kalabileceğine dair yeni bilgiler sağladı. Orion uzay aracındaki lityum florür kristallerinden yapılmış deneysel dedektörleri kullanan araştırmacılar, iki ortam arasındaki radyasyon maruziyetinde beklenmedik farkları ortaya çıkaran ön ölçümler elde etti.
2022 yılının Kasım sonu ve Aralık başındaki mürettebatsız Artemis I görevi sırasında Orion, iki insan şeklindeki manken içine gömülü 10 binden fazla küçük kristal taşıyarak Ay'ın çevresinde seyahat etti. Bu cihazlar yolculuk boyunca radyasyon maruziyetini kaydetti. Bunların arasında Krakow'daki Polonya Bilimler Akademisi Nükleer Fizik Enstitüsü IFJ PAN'daki bilim insanları tarafından oluşturulan birkaç düzine deneysel floresan lityum florür dedektörü de vardı. Araştırmacılar şimdi bu kristallerde depolanan bilgilerin analizine yönelik yeni bir yöntem tanımladı ve hem kozmik radyasyon seviyelerine hem de dedektörlerin performansına dair bilgiler sundu. Bulguları Radiation Measurements dergisinde yayımlandı.
Prof. Pawel Bilski (IFJ PAN) makalenin ortak yazarlarından biri olarak şunları açıkladı: "Enstitümüzde geliştirilen lityum florüre dayalı floresan radyasyon doz dedektörleri pasif niteliktedir. Başka bir deyişle fotoğraf filmi gibi çalışır: kristaller radyasyona maruz kaldıktan sonra tek tek parçacıkların bıraktığı izler mikroskop altında optik olarak analiz edilmelidir."
Küçük Kristaller Kozmik Radyasyonu Nasıl Tespit Ediyor
Lityum florür dedektörleri radyasyonun neden olduğu mikroskobik değişiklikleri yakalayarak çalışır. Elektrikle yüklü parçacıklar bir kristalden geçerken iç atomik yapısını bozar ve renk merkezleri adı verilen kusurlar oluşturur. Bilim insanları daha sonra kristali mavi ışıkla aydınlatabilir ve bu değişmiş bölgelerin kırmızı parlamasına neden olabilir. Mikroskop altında bu floresansı inceleyerek araştırmacılar tek tek radyasyon parçacıklarının izlediği yolları tanımlayabilir.
Dedektörler Artemis I sırasında yürütülen MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment) çalışmasının parçasıydı. Birkaç düzine deneysel lityum florür dedektörü her iki mankenin içine yerleştirildi; bunların bazıları yüksek konsantrasyonda lityum-7 izotopu içeriyordu. IFJ PAN'ın katkısı bu deneysel cihazların ötesine uzandı. Enstitü bilim insanları aynı zamanda radyasyon maruziyetini ölçmek için farklı bir teknik kullanan yaklaşık 600 termolüminesan kristal dedektör de sağladı.
Yeni lityum florür dedektörlerinin en büyük avantajlarından biri radyasyon izlerini incelemeyi basitleştirmesidir. Gelen parçacıkların bıraktığı izleri inceleyebilmek için kimyasal aşındırma gerektiren geleneksel pasif dedektörler plastik malzemeden yapılır. Lityum florür kristalleri bu adımı ortadan kaldırır ve araştırmacıların izleri standart bir floresan mikroskopla doğrudan incelemesine olanak tanır.
Sonuç olarak Ay yakınında toplanan radyasyon izlerini gözlemlemek nispeten kolaydı. Daha zor olan görev ise bu izlerin radyasyon maruziyeti hakkında tam olarak neyi ortaya koyduğunu belirlemekti. Güvenilir sayısal ölçümler elde etmek için ekip gelişmiş kalibrasyon ve analiz teknikleri geliştirmek zorunda kaldı.
Derin Uzay Radyasyonunu Ölçmek Neden Bu Kadar Zor
Laboratuvarın kontrollü koşullarının aksine kozmik radyasyon son derece öngörülemezdir. Tipik bir fizik deneyinde araştırmacılar dedektörü belirli bir enerji ve yöne sahip bilinen bir parçacık türü içeren bir ışına maruz bırakabilir. Uzayda radyasyon her yönden gelir ve çok farklı parçacık ve atomik çekirdekleri muazzam bir enerji aralığında taşır.
Bu karmaşıklık mikroskobik izlerin yorumlanmasını zorlaştırır. Gelen parçacıklar kristallere farklı açılardan çarptığı için izleri birden fazla yönde uzanır. Bir mikroskop her bir izden odak düzlemi içindeki kesiti yakalar (yaklaşık bir mikrometre büyüklüğünde), ancak dar bölge dışındaki kısımlardan gelen bulanık bir parıltıyı da kaydeder. Bu ek ışık, bilim insanlarının parçacığın malzemeyi ne kadar yoğun iyonize ettiğini tahmin etmek için kullandığı ölçülen floresans şiddetini etkiler.
Farklı parçacıklar da çok farklı iz desenleri üretir. Güçlü iyonizasyona neden olanlar sürekli ve keskin tanımlanmış çizgiler bırakırken, daha zayıf iyonizasyon üreten parçacıklar saçılmış, birbirinden kopuk noktalar olarak görünebilir. Bu farklılıklar floresans ölçümlerini anlamlı radyasyon verilerine dönüştürme görevini daha da karmaşık hale getirir.
Bu zorlukların üstesinden gelmek için araştırmacılar birkaç düzeltme getirdi ve ölçümlere müdahale eden istenmeyen arka plan sinyallerini kaldırabilen bir yazılım geliştirdi. Geliştirilmiş analiz, ölçümlerini yerleşik dedektör teknolojilerinden elde edilen sonuçlarla yakın uyum sağlarken, eski cihazların tespit edemediği radyasyon olaylarını da ortaya çıkardı.
Prof. Bilski vurguladı: "Bir dizi düzeltme uyguladıktan ve ölçümlere müdahale eden arka planı uygun şekilde kaldırmak için yazılım geliştirdikten sonra, enerji biriktirme değerlerinin tüm örtüşen aralığı boyunca sonuçlarımız, geleneksel iz dedektörleri kullanılarak elde edilenlerden yüzde 15'ten fazla farklı değildi. Ayrıca bugüne kadar kullanılan dedektörlerin tespit eşiğinin altındaki enerji birikimlerine karşılık gelen çok sayıda parçacık izi de kaydettik."
Artemis I Ay Radyasyonunda Sürpriz Bir Farkı Ortaya Koydu
Artemis I ölçümleri araştırmacıların Ay yakınındaki radyasyon maruziyetini Uluslararası Uzay İstasyonu'nda daha önce yapılan bir deneyden elde edilen bulgularla karşılaştırmasına da olanak tanıdı.
Artemis I'ten bir on yıldan fazla önce MATROSHKA deneyi, uzay istasyonundaki insan şeklindeki mankenler kullanılarak radyasyon maruziyetini araştırdı. Bu görev sırasında kaydedilen radyasyonun bir kısmı Dünya'nın Van Allen radyasyon kuşakları içinde hapsolmuş düşük enerjili protonlardan geldi. Bu parçacıklar mankenlerin içine girdikçe farklı derinliklerde enerji bıraktı ve radyasyon dozlarının dengesiz dağılımını üretti.
Ay yakınındaki koşullar önemli ölçüde farklıdır. Van Allen kuşakları ay ortamına uzanmaz, bu nedenle orada karşılaşılan radyasyon galaksinin başka yerlerinden kaynaklanan yüksek enerjili parçacıklardan daha büyük katkı içerir.
Bu galaktik parçacıklar insan vücudunun tamamından geçebilecek kadar enerjiye sahiptir ve geçerken enerjilerinin yalnızca bir kısmını salar. Sonuç olarak Artemis I dedektörleri, daha önceki uzay istasyonu deneyinde gözlenen dengesiz desenlerin aksine, radyasyon dozlarının mankenler boyunca neredeyse eşit olarak dağıldığını kaydetti.
Araştırmacılar aynı zamanda sezgisel olarak ters görünebilecek bir bulgu da tespit etti. Ay yakınındaki astronotlar düşük Dünya yörüngesindeki astronotlara göre daha fazla radyasyona maruz kalsa da farkın dramatik olmayabileceği ortaya çıktı.
Prof. Bilski belirtti: "Dünya'nın manyetik alanı tarafından Van Allen kuşakları içinde hapsedilen düşük enerjili protonlar, düşük Dünya yörüngesindeki astronotların aldığı radyasyon dozunun büyük çoğunluğunu oluşturabilir. Ay çevresinde bu önemli katkı ortadan kaybolur. MARE deneyinden elde ettiğimiz ölçümler, Ay yakınındaki toplam radyasyon dozlarının galaktik radyasyonun önemli seviyeleri nedeniyle Dünya yörüngesindeki dozlardan daha yüksek olduğunu gösterse de, farkın sezgisel olarak beklendiği kadar büyük olmadığını gösteriyor."
Yeni Radyasyon Dedektörleri Gelecekteki Astronotları Korumaya Yardımcı Olabilir
Artemis I üzerindeki floresan lityum florür dedektörleri Czochralski yöntemi kullanılarak üretildi; bu, kristal yetiştirme tekniğidir. IFJ PAN'daki bilim insanları teknolojiyi yaklaşık on yıl önce ilk kez geliştirdi ve o zamandan beri sürekli olarak iyileştirdi.
Kompakt boyutları en kullanışlı özelliklerinden biridir. Birkaç santimetre yerine sadece birkaç milimetre ölçen dedektörler, uzay görevleri sırasında radyasyon maruziyetini izlemek için pratik olacak şekilde insanların rahatça taşıyabileceği kadar küçüktür.
Ayrıca kimyasal aşındırma gerektiren geleneksel plastik dedektörlerden daha keskin parçacık izi görüntüleri sağlarlar. Bu gelişmiş çözünürlük, radyasyon dozları nispeten yüksek olduğunda bile bilim insanlarının tek tek izleri ayırt etmesine olanak tanır. Ayrıca kristaller çok çeşitli parçacık türlerini ve enerjilerini kaydedebilir ve bu da radyasyon ortamının daha eksiksiz bir resmini sunma potansiyeline sahiptir.
Bir diğer avantajları da özellikle kristaller lityum-6 izotopu ile zenginleştirildiğinde nötronları tespit edebilmeleridir. Nötronlar lityum çekirdekleriyle etkileşime girdiğinde ikincil yüklü parçacıklar üreten nükleer reaksiyonları tetikleyebilir. Bu parçacıklar diğer iyonlaştırıcı radyasyon türleri gibi kristalde tespit edilebilir değişiklikler bırakır.
Birlikte bu yetenekler, lityum florür dedektörlerini Dünya ötesi karmaşık radyasyon ortamını incelemek için umut verici bir araç haline getirir. Artemis I'ten elde edilen ölçümler, kozmik radyasyonun Ay yakınında nasıl davrandığına dair daha net bir tablo sunar ve kompakt dedektörlerin gelecekteki görevler sırasında radyasyon maruziyetini değerlendirmeye nasıl yardımcı olabileceğini gösterir.
MARE projesi kapsamında yürütülen araştırmaya Polonya Ulusal Bilim Merkezi'nin OPUS programı kapsamında sağlanan bir hibe destek verdi.
