Astronauci widzą błyski po zamknięciu oczu. Wreszcie wiemy dlaczego

Astronauta zamyka oczy w całkowicie ciemnej kabinie. Po kilku minutach widzi jasną kropkę. Potem smugę, czasem rozmyty obłok światła. Nie ma lampy, ekranu ani nawet otwartych powiek. To zjawisko towarzyszy ludziom w kosmosie od czasów Apollo i od ponad pół wieku nie dawało naukowcom spokoju. Okazuje się, że część astronautów naprawdę widzi światło, które powstaje wewnątrz ich własnych oczu.

Pierwsze relacje pojawiły się podczas programu Apollo. Po przyzwyczajeniu wzroku do ciemności astronauci zaczynali zauważać krótkie rozbłyski, mimo że ich oczy pozostawały zamknięte. Późniejsze załogi opisywały podobne zjawisko, więc NASA przestała traktować je jak ciekawostkę.

Powstały specjalne eksperymenty. Podczas Apollo 16 i Apollo 17 astronauta zakładał przypominający hełm Apollo Light Flash Moving Emulsion Detector. Urządzenie miało rejestrować trajektorie wysokoenergetycznych cząstek przechodzących przez okolice głowy dokładnie w czasie, gdy człowiek zgłaszał błysk.

Udało się powiązać przynajmniej część wrażeń wzrokowych z przelotem promieniowania kosmicznego. Później temat wrócił na stacjach Mir i ISS, gdzie eksperymenty Sileye i ALTEA śledziły zarówno cząstki, jak i reakcje astronautów.

Co dokładnie dzieje się pomiędzy przelotem cząstki a pojawieniem się obrazu w mózgu? Rozważano kilka możliwości. Naładowana cząstka mogła bezpośrednio pobudzać komórki siatkówki. Mogła wywoływać reakcję w nerwie wzrokowym albo nawet w odpowiednich obszarach mózgu. Inną możliwością było powstawanie prawdziwych fotonów światła. Nowa praca skupia się właśnie na tym ostatnim scenariuszu.

Opisywany w pracy mechanizm nazywa się promieniowaniem Czerenkowa. Może powstać, kiedy naładowana cząstka porusza się przez przezroczysty materiał szybciej, niż światło rozchodzi się w tym materiale. Nie oznacza to złamania teorii względności – cząstka nadal porusza się wolniej od światła w próżni. Światło w wodzie czy płynie wypełniającym oko jest po prostu wolniejsze.

Przelatująca cząstka zaburza pola elektromagnetyczne znajdujących się na swojej drodze atomów. Powstaje charakterystyczna fala promieniowania, trochę przypominająca falę uderzeniową wytwarzaną przez samolot przekraczający prędkość dźwięku. W reaktorach jądrowych efekt Czerenkowa można zobaczyć jako charakterystyczną niebieską poświatę w wodzie. W przypadku astronauty takim reaktorem staje się na chwilę gałka oczna.

Badacze zbudowali w programie Geant4 uproszczony model ludzkiego oka, którego wnętrze potraktowano jako materiał o właściwościach zbliżonych do wody. Następnie zaczęli strzelać w niego symulowanymi cząstkami promieniowania kosmicznego o różnych energiach i sprawdzać nie tylko, ile fotonów powstanie, ale przede wszystkim gdzie trafią one na siatkówkę. To drugie okazało się kluczowe.

Ludzkie oko w absolutnej ciemności jest absurdalnie czułym detektorem. Klasyczne eksperymenty wskazują, że do wywołania świadomego wrażenia światła wystarczy bardzo niewiele fotonów. Autorzy nowego modelu przyjęli zakres odpowiadający mniej więcej 5-14 fotonom rzeczywiście pochłoniętym przez odpowiednio mały obszar siatkówki. I właśnie dlatego nie każda cząstka kosmiczna przechodząca przez oko tworzy błysk.

Proton może wyprodukować setki fotonów Czerenkowa, lecz jeśli rozproszą się one po dużym obszarze, żaden fragment siatkówki nie dostanie wystarczającego impulsu. Mózg niczego nie zauważy. Znacznie ciekawsze okazały się cięższe jądra atomowe.

W symulacjach szczególnie dobrze wypadały węgiel, tlen i żelazo. To rzadsi goście niż protony, ale podczas przechodzenia przez oko potrafią wygenerować tak silny i odpowiednio skoncentrowany sygnał, że przekracza on próg widzenia.

Prawdziwym potworem jest tutaj żelazo. Jego jądro o energii 40–50 GeV mogło doprowadzić w symulacji do pochłonięcia przez siatkówkę kilku tysięcy fotonów. Przy 50 GeV autorzy otrzymali ponad 8 tys. pochłoniętych fotonów i aktywację setek niewielkich obszarów siatkówki. Człowiek nie powinien wtedy zobaczyć małego punkciku. Powinien zobaczyć coś przypominającego jasną chmurę.

Podczas misji Apollo około 66 proc. obserwowanych zjawisk opisywano jako punkt lub coś podobnego do gwiazdy. Około 25 proc. wyglądało jak smuga, a mniej więcej 8 proc. jak rozmyta chmura. Symulacje podpowiadają, skąd mogą brać się te różnice.

Węgiel i tlen mogą produkować bardziej lokalne pobudzenia odpowiadające punktowym błyskom. Jeżeli cząstka przeleci niemal równolegle względem powierzchni siatkówki, aktywowany obszar może przybrać formę smugi. Najcięższe jądra, szczególnie wysokoenergetyczne żelazo, potrafią jednocześnie pobudzić dziesiątki albo setki obszarów i stworzyć wrażenie świetlistego obłoku. Zgadza się nawet kolor.

Astronauci zdecydowanie najczęściej opisywali zjawisko jako białe. Kolejnym naturalnym kolorem był niebieski. Promieniowanie Czerenkowa obejmuje cały zakres widzialny, ale jest intensywniejsze przy krótszych długościach fal, dlatego właśnie biało-niebieskie wrażenie pasuje do tego mechanizmu. Czyli człowiek zamyka oczy, a wysokoenergetyczne jądro atomowe wpadające z kosmosu wykonuje wewnątrz jego gałki ocznej maleńki pokaz świetlny. Powiek nie da się na to zamknąć, bo światło powstaje już po ich drugiej stronie.

To pytanie jest wręcz obowiązkowe. Promieniowanie kosmiczne nie kończy się przecież na granicy atmosfery. W każdej chwili przez nasze ciała przechodzą wtórne cząstki powstające podczas zderzeń promieniowania kosmicznego z atmosferą. Przy powierzchni Ziemi ważnym składnikiem są miony.

Model pokazał coś z pozoru paradoksalnego. Mion przelatujący przez oko może wytworzyć setki widzialnych fotonów Czerenkowa. Przy energii 1 GeV symulacja dawała ich około 640 – nawet więcej niż dla protonu o tej samej energii. A mimo to siedząc dziś przed monitorem nie oglądamy kosmicznych fajerwerków.

Powodem ponownie jest geometria. Fotony wytwarzane przez miony trafiają w siatkówkę w taki sposób, że zbyt rzadko zbiera się ich wystarczająco dużo na bardzo małej powierzchni. W 10 tys. symulowanych przypadków żaden nie osiągnął przyjętego minimalnego progu 5 pochłoniętych fotonów w odpowiednim obszarze.

Górna granica wynikająca z modelu to około 1 potencjalnego zdarzenia na 24 godziny nieprzerwanej obserwacji, a rzeczywista częstość powinna być jeszcze znacznie niższa. To ponad 4 rzędy wielkości mniej niż częstotliwość raportowana przez astronautów. Atmosfera i ziemskie pole magnetyczne wykonują więc dla naszych oczu kawał dobrej roboty.

Jak pisaliśmy w tekście: Na Księżycu astronauci otrzymają 200 razy więcej promieniowania niż na Ziemi. Ale i tak polecą, poza ochronną warstwą naszej planety środowisko radiacyjne zmienia się dramatycznie. Błyski są jedynie najbardziej bezpośrednim sposobem, w jaki astronauta może wręcz zobaczyć skutki tego promieniowania własnym ciałem.

Badacze sprawdzili też, czy uproszczony model nie ignoruje oczywistego problemu: astronauci na ISS przecież nie siedzą bezpośrednio w przestrzeni. Do symulacji dodano warstwy aluminium i kevlaru reprezentujące osłony stacji.

Dla wysokoenergetycznego jądra żelaza nie okazały się wielką przeszkodą. Symulowana cząstka o energii 50 GeV podczas przejścia przez osłonę straciła średnio około 2,7 GeV, czyli zaledwie 5 proc. początkowej energii. Potem nadal była w stanie wyprodukować tysiące fotonów i silnie pobudzić siatkówkę. To pokazuje szerszy problem lotów załogowych.

Jak pisaliśmy niedawno w tekście: Polka wie, jak NASA usunie zagrożenie w kosmosie. Wystarczy pranie, ochrona przed promieniowaniem wysokoenergetycznym nie sprowadza się do dodania kilku milimetrów metalu. Przy długich podróżach na Księżyc i Marsa trzeba projektować całe schrony oraz wykorzystywać wodę, zapasy i wyposażenie jako dodatkową masę osłonową. Błysk przed oczami jest więc najbardziej niewinną częścią spotkania organizmu z taką cząstką.

Nowa praca nie zamyka oczywiście zagadki całkowicie. Model promieniowania Czerenkowa dobrze pasuje do obserwacji w przestrzeni międzyplanetarnej oraz na niskiej orbicie okołoziemskiej, ale wykłada się w jednym szczególnym miejscu – anomalii południowoatlantyckiej.

To obszar, w którym wewnętrzny pas radiacyjny Van Allena zbliża się wyjątkowo mocno do powierzchni Ziemi. Satelity i ISS przechodzą tam przez zwiększony strumień naładowanych cząstek. Astronauci obserwowali w tym regionie więcej błysków.

Tymczasem symulowane protony uwięzione w anomalii produkowały zdecydowanie za mało dostrzegalnych zdarzeń. Według modelu błysk wynikający z tego konkretnego mechanizmu zdarzałby się tam rzadziej, niż raz na kilka tygodni. To znaczy, że w anomalii południowoatlantyckiej musi działać jeszcze coś – być może bezpośrednie pobudzanie siatkówki albo układu nerwowego przez cząstki.

Przeczytaj także:

Jest też drugie zastrzeżenie. Praca została opublikowana 12 sierpnia jako preprint i nie przeszła jeszcze recenzji naukowej. Sam model oka jest uproszczony. Autorzy dodali wprawdzie symulację kości i tkanki mózgowej, ale wykazała ona, że kierunek, z którego nadlatuje cząstka, może mieć duże znaczenie – długa droga przez głowę potrafi wyhamować ciężkie jądro, zanim dotrze do oka. Nie mamy więc jeszcze podstaw, by powiedzieć, że każdy kosmiczny błysk został wyjaśniony raz na zawsze.

Mamy jednak fizyczny model, który zaczyna od rzeczywistego promieniowania kosmicznego, prowadzi cząstkę przez oko, liczy powstające fotony, sprawdza ich trafienia w siatkówkę i na końcu otrzymuje częstotliwości oraz kształty przypominające to, co astronauci opisują od czasów Apollo.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI