Das unheimliche, höllische Leuchten des Mondes mag in diesem Bild unwirklich erscheinen, da es für unsere Augen unsichtbar ist. Aber Instrumente, die Gammastrahlen erkennen, sagen uns, dass es echt ist. Es ist mehr als nur ein körniges, rotes Bild, es ist eine lebendige Erinnerung daran, dass mehr passiert, als das menschliche Auge sieht.
Es ist auch eine Erinnerung daran, dass alle Menschen, die den Mond besuchen, vor dieser energiereichen Strahlung geschützt werden müssen.
Von kosmischen Strahlen zu Gammastrahlen
NASAs Fermi Gammastrahlen-Weltraumteleskop nahm diese Bilder der Gammastrahlen des Mondes auf. In diesem Teil des elektromagnetischen Spektrums ist der Mond tatsächlich heller als die Sonne. Das liegt daran, dass die Sonne den größten Teil ihrer Energie in anderen Teilen des Spektrums produziert, obwohl sie einige Gammastrahlen aussendet, insbesondere während Sonneneruptionen.
Die meisten gamma Strahlen in unserem Sonnensystem stammen aus weit entfernten Quellen wie Quasaren und aktiven galaktischen Kernen (AGN). Der Mond ist eine indirekte Quelle von Gammastrahlung und erzeugt Gammastrahlen durch seine Wechselwirkung mit kosmischer Strahlung.
Kosmische Strahlung sind eine Art energiereicher Strahlung, die zum größten Teil außerhalb unseres Sonnensystems erzeugt wird. Sie werden von Dingen wie Supernovae und aktiven galaktischen Kernen produziert. Wenn kosmische Strahlen auf Materie treffen, wie in diesem Fall auf die Mondoberfläche, erzeugen sie Gammastrahlen.
Das Konzept eines Künstlers eines aktiven galaktischen Kerns, der einen energetischen Blazar beherbergt. Aktive Galaxienkerne sind eine Quelle der kosmischen Strahlung. Wenn diese Strahlen den Mond treffen, werden Gammastrahlen erzeugt. Bildnachweis: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab.
Zwei Wissenschaftler des italienischen Nationalinstituts für Kernphysik, Mario Nicola Mazziotta und Francesco Loparco, haben die Gammastrahlung des Mondes untersucht, um die kosmische Strahlung zu verstehen. Kosmische Strahlung sind sich schnell bewegende Teilchen, und sie erhalten ihre Beschleunigung von ihren Quellen, wie den oben genannten Supernovae und AGN.
„Kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus Protonen, die durch einige der energiereichsten Phänomene im Universum beschleunigt werden, wie die Druckwellen explodierender Sterne und Jets, die erzeugt werden, wenn Materie in Schwarze Löcher fällt“, erklärte Mazziotta in einer NASA Pressemitteilung .
Die Teilchen, aus denen die kosmische Strahlung besteht, sind elektrisch geladen. Wenn sie auf ein Magnetfeld wie die Magnetosphäre der Erde treffen, werden sie größtenteils abgelenkt. Aber dem Mond fehlt ein Magnetfeld. Dadurch treffen selbst die schwächsten kosmischen Strahlen direkt auf die Mondoberfläche und es entstehen Gammastrahlen. Der Mond absorbiert tatsächlich die meisten der von ihm erzeugten Gammastrahlen, aber einige entweichen in den Weltraum.
Und das Fermi-Teleskop kann sie sehen und verwandelt den Mond in eine Art unbeabsichtigter Teilchendetektor.
Das Fermi Gamma-Ray-Weltraumteleskop (FGRST) ist nun seit 11 Jahren im Einsatz. Mazziotta und Loparco haben Bilder des Mondes während der Mission des Teleskops studiert, und im Laufe der Zeit hat sich die Sicht verbessert.
„… der Mond würde nie seinen monatlichen Phasenzyklus durchlaufen und würde immer voll aussehen.“
Francesco Loparco, Italiens Nationales Institut für Kernphysik.
Die Stärke der Gammastrahlen des Mondes ist nicht immer konstant. Es variiert im Laufe der Zeit. Mazziotta und Loparco sammelten Daten der Gammastrahlen des Mondes, die 31 Millionen Elektronenvolt überstiegen, was 10 Millionen Mal stärker ist als sichtbares Licht, und organisierten sie im Laufe der Zeit. Dies führte zu dem folgenden Bild, das zeigt, wie sich die Ansicht im Laufe der Zeit verbessert.
Diese Bilder zeigen die sich stetig verbessernde Sicht auf das Gammastrahlen-Glühen des Mondes vom Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA. Jedes 5-mal-5-Grad-Bild ist auf dem Mond zentriert und zeigt Gammastrahlen mit Energien von über 31 Millionen Elektronenvolt oder dem zehnmillionenfachen des sichtbaren Lichts. Bei diesen Energien ist der Mond tatsächlich heller als die Sonne. Hellere Farben weisen auf eine größere Anzahl von Gammastrahlen hin. Diese Bildsequenz zeigt, wie eine längere Belichtung von zwei bis 128 Monaten (10,7 Jahre) die Sicht verbessert.
Bildnachweis: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration
„Bei diesen Energien würde der Mond niemals seinen monatlichen Phasenzyklus durchlaufen und würde immer voll aussehen“, sagte Loparco.
Die Tatsache, dass der Mond diese Gammastrahlen aussendet, ist warnend. NASAs Artemis-Programm werden mehr Astronauten auf dem Mond für potenziell längere Zeiträume sehen als andere Mondmissionen. Sie müssen sowohl vor den kosmischen Strahlen, die auf den Mond treffen, als auch vor den daraus resultierenden Gammastrahlen des Mondes geschützt werden.
Eine komplexe Interaktion
Das Zusammenspiel zwischen kosmischer Strahlung, Gammastrahlung, Mond und Sonne kann komplex sein. Gammastrahlen können unterschiedliche Energieniveaus haben. Beispielsweise erfassen diese FGRST-Bilder nur Gammastrahlen, die 31 Millionen Elektronenvolt (MeV) um einen bestimmten Betrag überschreiten. Aber Gammastrahlen können viel energiereicher sein und können Milliarden oder sogar Billionen MeV betragen.
Das Fermi Gamma-Ray Space Observatory ist nicht das einzige Observatorium, das die Gammastrahlung des Mondes beobachtet. Das Compton Gamma Ray Observatory hat dieses Bild der Gammastrahlen des Mondes aufgenommen. Bildnachweis: Von DJ Thompson, DL Bertsch (NASA/GSFC), DJ Morris (UNH), R. Mukherjee (NASA/GSFC/USRA) – ur=http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/ epo/news/gammoon.html., Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19838942
Da die kosmische Strahlung aufgrund ihrer elektrischen Ladung durch Magnetfelder abgelenkt werden kann und die Sonne über ein starkes Magnetfeld verfügt, können nur die stärksten auf die Sonne treffen. Diese mächtigen kosmischen Strahlen treffen wiederum auf den dichten Teil der Sonnenatmosphäre und erzeugen sehr starke Gammastrahlen. Die Sonne ist also bei Gammastrahlen über 1 Milliarde Elektronenvolt tatsächlich heller als der Mond.
Der 11-Jahres-Zyklus der Sonne beeinflusst auch die kosmische Strahlung, die auf den Mond trifft, und die daraus resultierenden Gammastrahlen. Während dieses Zyklus erfährt die Sonne Schwankungen in ihrem Magnetfeld. Infolgedessen treffen manchmal mehr kosmische Strahlen auf den Mond als zu anderen Zeiten. Diese Variabilität der kosmischen Strahlung, die auf die Mondoberfläche trifft, erzeugt eine Variabilität der Mondgammastrahlen. Laut Fermi-Angaben kann sie um 20 % variieren.
Das Magnetfeld der Sonne variiert während seines 11-Jahres-Zyklus sowohl in seiner Stärke als auch in seiner Komplexität. Dieser Vergleich zeigt die relative Komplexität des solaren Magnetfelds zwischen Januar 2011 (links) und Juli 2014. Im Januar 2011, drei Jahre nach dem Sonnenminimum, ist das Feld noch relativ einfach, mit offenen Feldlinien, die in der Nähe der Pole konzentriert sind. Beim Sonnenmaximum im Juli 2014 ist die Struktur viel komplexer, mit geschlossenen und offenen Feldlinien, die überall herausragen.
Die vom Mond kommenden Gammastrahlen und die kosmische Strahlung, die sie verursacht, stellen eine Bedrohung für Astronauten dar, da es sich bei beiden um ionisierende Strahlung mit großer Durchschlagskraft handelt. Es braucht viel Abschirmung, um zu verhindern, dass sie Astronauten treffen. Materialien mit hohen Ordnungszahlen sind wirksame Abschirmungen. Blei (Ordnungszahl 82) ist ein guter Schild, da es auch sehr dicht ist.
Bei Gammastrahlen mit niedrigerer Energie besteht das Risiko für Astronauten aufgrund der Exposition im Laufe der Zeit. Denken Sie an einen Röntgentechniker im Vergleich zu einem Röntgenpatienten. Die lebenslange Exposition eines Patienten gegenüber Röntgenstrahlen ist nicht sehr hoch, sodass ein Patient das Risiko akzeptiert. Für den Techniker sieht es jedoch anders aus. Sie sind jeden Arbeitstag ausgesetzt, verlassen also den Raum und werden durch Materialien wie Blei vor den Röntgenstrahlen geschützt.
Bei Astronauten ist es ähnlich. Je mehr Zeit sie auf dem Mond in einer Umgebung mit Gammastrahlung/kosmischer Strahlung verbringen, desto mehr müssen sie ihre Exposition begrenzen. Nicht nur durch Abschirmung, sondern durch Timing.
Versuch, die Strahlungsumgebung des Mondes zu verstehen
Diese Daten des Fermi-Gamma-Ray-Weltraumteleskops helfen Wissenschaftlern, das Risiko von Gammastrahlung/kosmischer Strahlung auf dem Mond zu verstehen. Gibt es Zeiten, in denen der Mond aufgrund des 11-Jahres-Zyklus der Sonne 20 % weniger Gammastrahlung aussendet, dann kann es sinnvoll sein, diese Zeit zu nutzen.
Wenn wir den Himmel in Gammastrahlen sehen würden, so wie das Fermi-Weltraumteleskop, wäre er nicht wiederzuerkennen. Dieses Bild wurde aus sechs Jahren Fermi-Beobachtungen erstellt. Es zeigt den gesamten Himmel bei Energien zwischen 50 Milliarden (GeV) und 2 Billionen Elektronenvolt (TeV). Das helle Band in der Mitte ist die Zentralebene der Milchstraße. Einige der hellsten Quellen sind Pulsarwindnebel und Supernova-Überreste in unserer Galaxie sowie ferne Galaxien, die Blazare genannt werden, die von supermassereichen Schwarzen Löchern angetrieben werden. Die Beschriftungen zeigen die energiereichsten Quellen, die sich alle in unserer Galaxie befinden und Gammastrahlen von mehr als 1 TeV emittieren. Bildnachweis:NASA/DOE/Fermi LAT-Kollaboration
Strahlenbelastung ist eines der Haupthindernisse für Raumfahrt und langfristige Weltraummissionen. Magnetosphäre und Atmosphäre der Erde sind beides Strahlungsschilde. Aber selbst im erdnahen Orbit riskieren Astronauten eine höhere Strahlenbelastung.
Wenn wir auf dem Mond eine menschliche Präsenz haben wollen, müssen wir unbedingt die Strahlungsumgebung dort verstehen. Die NASA hat die Mondstrahlungsumgebung untersucht schon 2005 in Erwartung eines menschlichen Außenpostens auf dem Mond. Als sie die Mondaufklärer-Orbiter (LRO) im Jahr 2009 enthielt es ein Instrument namens Kosmisches-Ray-Teleskop für die Auswirkungen von Strahlung (Krater).
Die Aufgabe von CRaTER besteht darin, die Strahlungsumgebung des Mondes und die biologischen Auswirkungen, die sie auf Astronauten haben wird, zu charakterisieren. Es verwendet Kunststoffe, um menschliches Gewebe nachzuahmen, und platziert es hinter verschiedenen Abschirmmaterialien. Harlan Spence, der leitende Forscher von CRaTER, sagte damals: „Wir werden nicht nur die Strahlung messen, sondern auch Kunststoffe verwenden, die menschliches Gewebe nachahmen, um zu untersuchen, wie diese hochenergetischen Partikel den menschlichen Körper durchdringen und mit ihm interagieren.“
Die Fermi-Bilder der Gammastrahlen des Mondes sind ein weiteres Teil des Strahlungspuzzles. Und das ist ein Rätsel, das gelöst werden muss, bevor es eine realistische Hoffnung auf eine langfristige Mondbasis oder bemannte Missionen zum Mars gibt.
Mehr:
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