우주선이란? 발생의 구조나 관측 방법, 우주 비행사의 건강이나 인공 위성의 전자 기기에 미치는 영향

우주선이란 우주 공간을 건너는 방사선(알파선, 베타선, 중성자선, 양자선 등의 입자 방사선과 감마선이나 X선과 같은 고에너지 전자기 방사선의 총칭이며, 원자나 분자로부터 전자를 벗겨낸다. 가지고 전리 작용을 가지고 있습니다.이 기사에서는 우주선의 기원과 인류의 우주 진출, 사회 활동과의 관계에 대해 자세히 설명합니다.

 

 

 

우주선이란 우주 공간을 건너는 방사선(알파선, 베타선, 중성자선, 양자선 등의 입자 방사선과 감마선이나 X선과 같은 고에너지 전자기 방사선의 총칭이며, 원자나 분자로부터 전자를 벗겨낸다. 가지고 전리 작용을 가지고 있습니다.1912년에 오스트리아의 과학자 헤스가 풍선을 타고 발견한 이래 100년 이상에 걸쳐 다양한 연구가 이루어져 왔습니다.

현재는, 미지의 천체·물리 현상을 이해하는 단서로 할 수 있도록, 고에너지의 우주선이 연구되고 있는 한편, 인류의 우주 진출 등에 위협이 되기 때문에, 방사선 방호나 우주 일기 예보의 관점에서, 양이 많은 저에너지 우주선에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

이 기사에서는 우주선의 기원과 인류의 우주 진출·사회 활동과의 관계에 대해 자세히 설명합니다.

 

 

1. 우주선이란?

우주선은 협의에는 양성자와 헬륨과 같은 원자핵과 전자를 의미합니다. 광의로는 뮤 입자나 중성자 등과 같이 지구상에 들어온 우주선이 대기와 충돌하여 만드는 2차 우주선이나 태양을 포함한 천체로부터 만들어지는 중성미자나 고에너지 감마선(단파장의 전자파 ) 등도 포함될 수 있습니다.

단지, 일반적으로 우주선이라고 하면, 양자와 그 10% 정도의 양의 헬륨, 그리고 극히 소수의 탄소, 철, 더욱 드물지만 우라늄 등의 원자핵 성분과 전자가 주라고 생각하는 것이 많습니다.

우주선은 매우 큰 에너지를 가지고 있습니다. 알기 쉽게 말하면, 지구상의 가속기에서도 쉽게는 만들어낼 수 없을 정도의 속도로 움직이고 있습니다.

예를 들어, 고에너지 가속기 연구 기구에 의한 해설 「CERN의 개요」에 의하면, 유럽 원자핵소 입자 연구소(CERN)에 있는 인류 최대의 가속기 LHC는, 1012 eV(전자볼트)라고 하는 에너지까지 양자를 가속할 수 있습니다만 , 우주선은 그 에너지를 우월하게 넘는 것이 보통으로, 1020 eV를 가지는 것까지 있습니다.

이러한 우주선은 일본 원자력 학회지 「우주 환경의 방사선」이나 JAXA 우주 교육 센터 「우주 방사선」에서 볼 수 있듯이, 그 발생원과 에너지의 차이로부터, 「은하 우주선」 「태양 우주선」 「 「방사선대 입자」의 3개로 분류해 생각되고 있습니다. 방사선대 입자는 지구의 자기장에 포착된 우주선이 확산되어 지구의 적도를 둘러싸도록 대강도의 방사선대를 형성하고 있습니다. 은하우주선이나 태양우주선을 기원으로 하므로, 본고에서는 은하우주선·태양우주선에 포함하고 있습니다.

 

 

 

1-1. 은하 우주선에 대해서

은하 우주선은 태양계를 넘어 은하계 내 어딘가에서 발생하는 우주선입니다.

발생원은 초신성 폭발을 일으킨 별의 잔해로부터의 충격파에 의해 초기적인 가속이 행해지고, 그 후, 은하계 내의 자장에 의해 계속적인 가속이 행해지고 있다고 생각되고 있다. 우주선의 초신성 폭발 기원설은 일찍부터 제창되고 있었지만, 관측에 의해 가속의 증거가 확인된 것은 2013년입니다.

은하 우주선 중에서도 초고에너지의 우주선(>1015 eV)은 에너지가 너무 높아 은하계의 자기장에서는 갇힐 수 없기 때문에 은하계 외의 은하에서 오는 것으로 생각되고 있습니다.

이러한 은하 우주선의 연구는 초고에너지 천체 현상(초신성 폭발과 감마선 버스트, 거대 블랙홀)의 연구에 도움이 되기 때문에 많은 우주 과학자들이 그 발생 기구에 흥미를 가지고 있습니다.

 

 

 

1-2. 태양 우주선과 태양 플레어에 대해서

태양을 기원으로 하는 비교적 에너지가 낮은 우주선을 태양우주선이라고 부릅니다.

태양우주선은 11년 주기로 일어나는 태양활동 최대기에 많이 보입니다. 이러한 시기에는 태양 표면의 폭발상 코끼리(태양 플레어)가 많이 일어나고, 대량의 우주선이 지구로 날아갑니다. 이 때문에, 태양 입자, 혹은 태양 입자 현상이라고도 불리고 있습니다.

태양 플레어는 양성자 등의 입자뿐만 아니라 X 선 등의 전자파도 방사하여 인류의 사회생활에 큰 영향을 미칩니다.

일례로, 큰 폭발에 수반하는 태양 플레어로부터의 X선은, 지구 대기에 침입해, 원자나 분자와 상호작용을 일으켜, 강력한 전자파(전자 펄스)의 원인이 될 수 있습니다.

전자 펄스는 지상의 전기·전자 기기에 영향을 주고 정전의 원인이 되는 등 사회에 큰 영향을 주기 때문에 차폐(전자 차폐)에 의한 대책이 큰 과제가 됩니다.

또, 태양에서 플레어가 발생하고 나서 지구까지의 도달 시간이 짧기 때문에, 발생하고 나서 대책할 뿐만 아니라, 현황 파악 및 예측을 실시하는 「우주 일기 예보」의 발전도 기다리고 있습니다.

 

 

 

2. 우주선의 발견과 인류에 대한 영향

우주선의 연구는 우주선의 기원과 가속 기구의 연구뿐만 아니라 초기에는 소립자 물리학과 현재는 우주 물리의 다양한 분야(다크마터, 우주의 기원)와 밀접하게 관련되어 있습니다. .

우주 진출이 점점 활발해지고 있는 현재로는, 우주선으로부터의 방호나 전자 기기에의 영향을 막기 위한 기술적인 분야에서도 영향이 큰 연구 분야가 되고 있습니다.

2-1. 우주선의 발견과 역사

우주선은 1912년 오스트리아 과학자 헤스가 풍선에서 관측함으로써 발견되었다. 그 전에도, 어디에서 오는지 정체불명의 방사선의 존재로서, 안개상자라고 불리는 증기의 응결 작용을 이용하여 하전 입자의 비적을 검출하기 위한 장치를 사용한 관측에 의해 알려져 있었습니다.

헤스는 풍선에 관측 장치를 적재하여 방사선의 계측률이 고도와 함께 올라가는 것을 나타내고, 우주 유래의 방사선이 존재하는 것을 처음으로 나타냈다. 그러나 이 시점에서 방사선의 정체가 무엇인지, 예를 들어 양성자인지, 전자인지, 미지의 입자인지는 불명한 채로 있었습니다.

그 후의 연구에서 우주선이 지구상의 서쪽에서 더 많이 관측되는 것(동서 효과)을 알고, 주로 +의 전하를 가지고 있는 것을 알았습니다.

또한 사진 건판 등의 검출기에 남아있는 우주선의 궤적으로부터 원자핵이 파쇄되어 새로운 입자의 생성이 있는 것을 발견하였다. 이렇게 지구상에서 관측된 우주선의 대부분은 우주선 양성자와 대기(질소나 산소)의 충돌로 만들어진 파이 중간자, 그리고 그것이 붕괴되어 만들어지는 뮤 입자인 것이 밝혀졌습니다. 했다.

덧붙여서, 이러한 고에너지의 핵반응을 연구하는 장치는 당시의 1940-1950년대에는 아직 없었고, 초기의 우주선 연구는, 그 후의 소립자 연구의 개막의 역할도 완수했습니다. 예를 들어, 유카와 히데키 박사의 노벨상 수상은, 파이 중간자가 우주선중에서 발견된 것이 계기입니다.

그 외의 우주선의 특징으로서, 지구 내에서 관측되는 2차 우주선의 양은, 차폐의 역할을 담당하는 지구의 자기장(의 방향)에 좌우되기 때문에, 자기장의 영향을 받기 어려운 고위도로 많아, 적도 부근에서 적습니다.

또한 우주선은 에너지가 높을수록 적어지는 경향이 있다는 것을 관측 결과에서 알고 있습니다.

2-2. 우주선이 인류의 활동에 미치는 영향

인류가 우주 진출을 완수하게 되면, 우주선의 인체에 미치는 영향이 본격적으로 논의되게 되었습니다. 일본 원자력학회지 「우주 환경의 방사선」에 의하면, 1960년대부터 1970년대에 아폴로 계획으로 우주에 갔던 비행사는, 불과 몇 주간의 비행으로, 지상에서 받는 자연 방사선의 약 30년분에 해당하는 피폭이 있었다고 생각됩니다.

또, 우주까지 가지 않아도, 항상 고고도를 날고 있는 국제선의 파일럿이나 승무원에게는, 이러한 대책을 위한 가이드라인등이 제정되고 있습니다.

우주 진출 초기와 비교하면, 현대에서는 방사선 방호에 대한 대책이 비약적으로 향상되고 있습니다만, 화성에의 유인 착륙 계획 등, 우주 체류의 추가 장기화나, 우주선의 보다 많은 환경하에서의 활동하지만 현실적으로 되어 온 현재, 우주선 방호 연구에 대한 기대는 점점 높아지고 있습니다.

방사선이 인체에 미치는 악영향은 초기 연구에서 알려져 있으며, 퀴리 부인으로 유명한 마리 퀴리와 엔리코 페르미와 같은 저명한 연구자의 대부분이 연구 중 과도한 피폭으로 인한 질병로 사망했다고 합니다.

양성자나 탄소 등의 방사선은 현재는 암세포의 파괴 등 치료에도 사용되고 있습니다만, 양이나 에너지의 제어되지 않은 환경하에서의 피폭은 쉽게 인체에 악영향을 낳습니다.

또한 우주 공간에서는 우주선에 반입된 전자기기(반도체가 사용되고 있는 기기)가 우주선에 의해 오작동을 일으키는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 문제에 대한 대책을 강구하기 위해서도, 우주 방사선 방호의 연구는 중요한 의미를 가지고 있습니다.

2-3. 사회생활에의 영향

태양 플레어 등에서 생성되는 X 선과 지구 대기의 산소와 질소가 상호 작용하여 대량의 전자가 공중에 발생합니다.

전자는 용이하게 전자파를 낳는 원인이 되므로, 대강도의 전자파(전자 펄스)가 발생해, 대전한 대기와 함께, 지구와 위성의 전파 통신의 방해가 됩니다. 특히 강력한 전자기 펄스가 발생하면 지구상의 전기·전자기기 등의 고장으로 이어져 교통이나 전력 등의 제어기능이 상실되어 사회에 큰 장애를 줄 가능성이 있습니다.

이러한 영향에 대해, 전자 차폐나 노이즈 필터에 의한 방호 장치의 개발·설치가 대책이 됩니다. 따라서 최근에는 과학적·경제적으로 효과적인 방호효과를 만들어 내기 위해 전자기 펄스의 기기에 대한 영향의 보다 정확한 이해와 평가, 보다 내성이 높은 기기의 개발 등도 요구되고 있습니다.

3. 우주선 관측 방법

현재, 많은 우주선 관측·연구는, 우주 공간상에서 행해지고 있습니다. 지구 대기에서 생성되는 2차 우주선에 의한 관측에의 영향을 없앨 수 있기 때문입니다.

한편, 우주 공간에서 관측을 실시하는 경우, 로켓의 발사 중량의 문제 등으로 관측 기기를 크게 할 수 없다고 하는 제약이 있습니다. 또한 우주선은 에너지가 높아짐에 따라 급격하게 양이 감소하는 경향이 있기 때문에 비교적 양이 많은 우주선의 관측에는 우주 공간에서의 관측이 적합하지만 극단적으로 에너지가 높은 우주선 연구는 보다 큰 면적을 커버하는 관측 장치를 설치할 수 있는 지상 실험에 이점이 있습니다.

이와 같이 최적의 관측 환경은 비용과 실현성 외에도 관측하는 우주선의 에너지와 존재량에 따라 다릅니다.

3-1. 우주에서의 관측

지금까지 NASA, JAXA, ESA(유럽 우주 기관) 등이 독자적으로, 혹은 공동으로 제작한 인공위성에 검출기를 탑재해 측정을 실시하는 것이 많이 행해지고 있습니다. 다른 방법으로는 국제 우주 정거장에 검출기를 탑재하여 관측을 할 수도 있습니다.

우주에서의 관측은 발사에 방대한 비용과 준비 기간을 필요로 하는 등, 실험 목적은 하나가 아니라 우주선의 정밀 측정과 다크마터, 우주의 기원이나 중력파의 연구 등, 다양한 형태로 행 되었습니다.

 

3-2. 지상에서의 관측

지상 관측은 우주선이 지구 대기와 누구적으로 핵반응을 일으켜 만드는 2차 우주선에 의한 공기 샤워의 관측에서 이루어집니다.

샤워의 규모와 모양에서 우주선의 에너지와 성분 (입자인지 전자파 등)을 알 수 있습니다. 풍선을 사용하여 관측하는 경우도 있어, 2차 우주선이 아니라, 직접 우주로부터 온 우주선을 관측할 수 있습니다. 지상에서의 관측에 비해 탑재할 수 있는 검출기의 크기·무게에 제한이 있는 것이 하나의 단점입니다.

 

 

 

4. 인체·반도체 디바이스·사회생활을 위한 우주선 방호 연구에 대해서

우주 비행사의 우주선 내외에서의 활동에 있어서, 경량화 등에 의한 효과적인 우주선 방호의 방법이 점점 중요해지고 있습니다.

게다가, 우주 공간뿐만 아니라 지구상에서 사용되고 있는 정밀 기기에 있어서도 우주선에 의한 오작동을 고려할 필요가 있습니다. 특히, 장치의 제어나 기억 장치(메모리)에 사용되고 있는 반도체 디바이스는, 우주선에 노출됨으로써, 오작동의 발생이 일어날 가능성이 높아집니다.

이것은 우주선 양성자와 뮤 입자, 중성자 등이 반도체에 들어가면 내부 실리콘 등과 핵반응이나 전리작용을 일으켜 많은 전자를 만들어 이들이 예기치 않은 전류가 되어 오작동의 원인 되기 때문입니다.

또한 장래에 강력한 태양 플레어가 일어날 경우를 대비하여 태양우주선에 의한 사회생활에 대한 영향도 연구되고 있다. 강력한 태양 플레어에 의해 발생하는 대강도의 전자파(전자 펄스)가, 지구의 전기·전자 기기에 미치는 영향·피해는 심각해질 가능성이 높고, 전자 차폐의 개발 등의 대책 연구가 행해지고 있습니다.여기에서는 이러한 사회생활에 미치는 영향에 대한 연구에 대해 설명합니다.

4-1. 제어·기억장치의 오작동

일반적으로 반도체를 사용한 디지털 디바이스에서는 출력 결과를 0 또는 1로 취급합니다만, 이들은 회로 중의 전압이나 콘덴서에 축적된 전하량이 많거나 적은 지에 의해 결정됩니다.

우주선이 디바이스를 통과할 때 많은 전자를 생성하기 때문에, 이들은 출력 결과를 바꾸는 오작동(싱글 이벤트 업셋에 의한 소프트 에러)의 원인이 됩니다.

오작동은 지구상에서는 주로 중성자로 인해 발생하며, 우주공간에서는 고에너지 양성자가 주된 원인이 되어 발생합니다. 이러한 오작동에 대한 주된 대처는 이러한 영향을 보다 정확하게 평가하는 것과 대책이 되는 기술을 확립하는 것입니다.

영향 평가의 대처는 입자 가속기를 이용하여 행해지고 있으며, 예를 들면 미국 로스알라모스 국립 연구소나 일본의 J-PARC 가속기 시설에서 이용할 수 있는 대강도 중성자 빔이나 각 대학 가속기 시설에서 실험이 행 되었습니다.

최근에는 이러한 소프트 에러 빈도가 중성자의 에너지에 의해 크게 변화하는 것이 확인되어 화제가 되었다. NASA와 JAXA 등도 이러한 시설에서 적극적으로 실험을 하고 있습니다.

4-2. 우주 방사선으로부터의 보호

우주선에 탑재되는 전자 기기를 정상적으로 동작시킬 뿐만 아니라, 우주 비행사의 방사선 피폭의 관점에서도, 우주선 방호의 연구는 중요합니다.

우주에서의 피폭량은 지구상에서의 100배 이상이 됩니다. 한편, 우주선 내에 탑재되기 위해서는, 발사 비용의 관점에서, 경량으로 차폐 효과가 높은 차폐재가 필요합니다.

최근에는 물을 스며들게 한 젖은 수건 등에 의한 방사선의 대폭적인 저감이 보고되어 화제가 되었습니다.

한편, 상기와 같은 차폐재에 의지하는 방호가 아니라 자기 차폐 장치 등을 개발하고, 능동적으로 방사선을 제거하여 방호하는 방법도 연구되고 있습니다.

향후, 유인 활동의 거점이 월·화성 등에 퍼지면서, 우주 비행사의 우주 체류가 장기간이 되기 때문에, 이러한 연구의 진전이 점점 요망되고 있습니다. 또한 태양 플레어는 돌발적으로 일어나는 경우가 많기 때문에 직접 대량의 방사선에 노출되는 우주 비행사의 건강 피해는 심각해지기 때문에 우주 일기 예보 연구의 진전도 과제로 여겨지고 있습니다.

 

5. 정리

• 우주선이란 우주 공간을 건너는 고에너지의 방사선을 말한다. 일반적으로 양자 등의 원자핵이나 전자(양전자 포함)를 의미하지만, 우주 관측이 다양화된 현재는 중성미자나 감마선도 포함할 수 있다.
• 우주선이 가진 에너지는 거대하며 인류가 가속기에서 생성할 수 있는 에너지를 훨씬 넘는다. 이러한 에너지를 낳는 우주 공간에서의 발생 기구의 연구는 우주선 연구의 메인 테마이다.
• 우주선의 관측은 현재는 우주 공간에서 행해지는 것이 주류이다. 특히 국제 우주 정거장에 검출기를 탑재하여 관측이 이루어지고 있다. 극단적으로 고에너지 우주선이나 드문 천체 현상을 검출하기 위해 검출기의 대면적 화가 용이한 지상에서 행해지고 있는 경우도 있다.
• 우주진출이 점점 활발해지는 현대에서는 우주비행사나 장치의 우주방사선으로부터 방호가 중요하기 때문에 이 분야의 연구 진전도 현저하다.
• 태양활동이 활발해지면서 일어나는 플레어 등으로 전자 펄스가 지구 내에 발생한다. IT나 정보통신에의 의존이 점점 진행되고 있는 현재로는 강력한 전자기 펄스의 통신기기나 사회생활에의 영향도 연구가 서두르고 있다.