「罩」不住的星際旅行

危险的宇宙射线，对于人类航向火星外的太空旅程，恐怕会是严酷、甚至是无法克服的阻碍。


在行星间旅行一年，人体内就会有1/3的DNA被宇宙射线给切断。欲保护太空人对抗这等猛烈攻击，无可避免地必须面临困难的取舍。

在科幻小说中，太空旅客遇到的最严重威胁庞大可见：横冲直撞的小行星、饥饿的外星生物、邪恶的帝国战舰等。不过事实上，人类在太空中最恐怖的威胁是小得不得了的东西，即高速的基本粒子：宇宙射线。在长途飞行中，宇宙射线带给太空人的辐射量严重到足以致癌。外太空探险旅行所面临的其他挑战，若给予工程师足够的时间与金钱，都应该能解决，然而宇宙射线却是个无法避免的危险，这问题往往牵涉到根本的取舍难题，或许会形成火星之旅的终极阻碍。

在实验室里，宇宙射线最初被当成小麻烦。宇宙射线的发现，源于物理学家注意到物体无法一直维持所带电荷，于是推想一定有某些东西会让空气游离而导电，使电荷慢慢消逸。许多研究者将之归咎于脚下的岩石土壤充斥辐射所致。奥地利物理学家海斯（Victor Hess）于1912年解决了这个问题：他搭乘气球升高，证明飞得越高，验电器流失电荷的速度便越快。由此可知造成空气游离化的神秘物体来自太空，于是便出现「宇宙射线」之名。

1950年时，物理学家已经确定这个名词实际上是误用。宇宙射线不是射线，而是离子（绝大多数是质子，混合少数较重的原子核），以接近光速撞击大气顶层。绝大多数宇宙射线来自于太阳系之外，至今仍不知道为何它们速度能这么快。一度视宇宙射线为麻烦的实验家，改拿它们当观察工具，我和同事在1950年代末期便利用宇宙射线的强度变化，推论出太阳风的存在。

保护地球上的人们免于宇宙射线摧残的功臣，并非一般所认为的是地球磁场，而是厚厚的大气层。一平方公分的地表上约有一公斤空气，平均下来，当质子穿过约70公克的物质，便会撞上大气中一个原子核（相当于约大气层1/14的距离，在海拔20~25公里高左右），而其余的底层大气则负责吸收相撞后的碎片。冲击会将原子核的一、两个质子或中子撞掉，释放一阵高能γ射线与π介子，γ射线会传到大气层更内部，制造出电子与其反物质正子。这两种粒子碰上其反物质会互相湮灭，产生能量较低的γ射线，如此周期性地循环，直到γ射线太弱而无法制造粒子为止。

同时，π介子会快速衰变成缈子抵达地面。当缈子通过我们的身体时，会产生离子并打断化学键，不过不足以造成显著伤害。每年宇宙射线量约为0.03仑目（依海拔而定），相当于几次胸部X光照。
在大气层外，宇宙射线风暴很强烈，大约一秒就有一个质子或更重的原子核穿过指甲大小的面积，总共每秒约有5000个离子贯穿身体，每个离子都会留下打断化学键的痕迹，并在体内启动先前所述发生在大气层内的一连串反应。在宇宙射线中，少数较重的核子会造成比质子更大的伤害，因为打断化学键的能力与电荷平方成正比。例如，铁原子核所造成的伤害是质子的676倍。在这样的辐射下待上一个星期或一个月，或许不会有严重后果，但是长达数年的火星之旅可就不同了。根据美国航太总署（NASA）的估计，每年太空人体内约有1/3的DNA会被宇宙射线切断。

太空旅行危机重重

目前对于高能辐射会对生物产生什么影响的量化资料，只有来自在核能爆炸与实验室意外中，不幸暴露于γ射线与高速粒子短暂而猛烈攻击下的人们身上，其细胞受到损害，且罹癌率提高。造访火星的旅客虽然是低剂量的暴露在辐射下，不过长期下来也会累积到差不多的辐射量。没有人知道这两种情况是否真的相当，但两相比较却令人担忧，自然的生物修复机制不一定能弥补损害。

任职于美国俄克拉荷马市联邦航空总署民航医学研究所的弗里德伯格（Wallace Friedberg）与同事，最近进行了相关研究。在2005年8月发表的一份报告中，他们估计赴火星的太空人一年将会接受超过80仑目的辐射量，而相较之下，美国法律限制核能电厂工人每年不得受超过5仑目的辐射剂量。据研究，每10名男性太空人中有一人最后死于癌症，每6名女性则有一人（因为她们更容易罹患乳癌）。甚者，重核子会造成白内障与脑部损害（这方面的数字仍然相当不确定）。

当然，遍布太空的宇宙射线风暴并不是唯一的威胁，太阳也会释放大量质子与重原子核，以接近光速喷出。这类攻击有时一小时内会逾数百仑目，对没有屏障的太空人来说是致死剂量，发生于1956年2月23日的剧烈太阳闪焰就是一个众所皆知的例子。任何防堵宇宙射线的措施，都该考虑到这些太阳风暴。即使如此，明智的火星之旅，应该计画在太阳磁场活动最不频繁的时候进行。


转自：科学人杂志