Космические лучи и зрительные феномены у астронавтов

Введение

Визуальные феномены космических лучей, или световые вспышки (LF), также известные как «глаз астронавта», — это спонтанные вспышки света, которые некоторые астронавты воспринимают визуально за пределами магнитосферы Земли, например, во время программы «Аполлон». Хотя световые вспышки (LF) могут быть вызваны реальными фотонами видимого света, воздействующими на сетчатку, обсуждаемые здесь световые вспышки (LF) также могут относиться к фосфенам — ощущениям света, возникающим при активации нейронов вдоль зрительного пути.

Возможные причины

Исследователи полагают, что световые вспышки (ЛФ), воспринимаемые астронавтами в космосе, вызваны космическими лучами (высокоэнергетическими заряженными частицами, приходящими из-за пределов атмосферы Земли), хотя точный механизм этого явления неизвестен. Среди гипотез – излучение Черенкова, возникающее при прохождении частиц космических лучей через стекловидное тело глаза астронавта, прямое воздействие на зрительный нерв, стимуляция рецепторов сетчатки и более общее взаимодействие сетчатки с радиацией.

Условия, при которых были сообщены вспышки света

Астронавты, недавно вернувшиеся из космических миссий к космическому телескопу Хаббл, Международной космической станции и космической станции «Мир», сообщали о наблюдениях ЛФ в различных условиях. Согласно результатам опроса, в порядке убывания частоты упоминаний, они видели ЛФ в темноте, при тусклом освещении, при ярком свете, а один астронавт сообщил, что видел их независимо от уровня освещенности и адаптации зрения. Чаще всего это происходило перед сном.

Типы

Некоторые световые феномены (СФ) были отчетливо видны, в то время как другие – нет. Они проявлялись в различных цветах и формах. Частота наблюдения каждого типа варьировалась в зависимости от опыта астронавтов, что подтверждается опросом 59 человек. Некоторые астронавты сообщали, что вспышки преимущественно желтые, другие – оранжевые и красные цвета, помимо наиболее распространенных белого и синего. Направления движения СФ, о которых сообщалось, также различались. Некоторые описывали движение СФ по всему полю зрения, от периферии к точке фиксации взгляда, в то время как другие – в противоположном направлении. Для описания направлений использовались такие термины, как "боковое", "диагональное", "от центра к периферии" и "случайное".

Частота во время миссий

Во время лунных миссий, когда их глаза адаптировались к темноте, астронавты "Аполлона" сообщали о наблюдении этого явления в среднем раз в 2,9 минуты. На других космических миссиях астронавты сообщали о восприятии свечения в среднем раз в 6,8 минуты. Во время своего первого полета он заметил свечение только после того, как ему указали на него. Эти сообщения не кажутся удивительными, учитывая, что свечение может быть нечетко различимо на фоне.

Колебания во время и в ходе миссий

Астронавты программы "Аполлон" сообщали, что наблюдали это явление чаще при полёте к Луне, чем при возвращении на Землю. Авдеев и др. (2002) предположили, что это может быть связано со снижением чувствительности к СНЧ (сверхнизкочастотным) излучениям с течением времени, проведённого в космосе.

Проекты SilEye-Alteino и ALTEA

Проекты SilEye Alteino и «Аномальные долгосрочные эффекты в центральной нервной системе астронавтов» (ALTEA) исследовали это явление на борту Международной космической станции, используя шлемы, аналогичные тем, что использовались в эксперименте ALFMED. Проект SilEye также изучал этот феномен на станции «Мир». Целью данного исследования было изучение траекторий частиц, попадающих в глаза астронавтов в момент сообщения о наблюдении ЛФ. Исследуя эти частицы, ученые надеялись получить более глубокое понимание того, какие частицы могут вызывать ЛФ. Астронавты использовали детектор SilEye во время многочисленных сеансов на станции «Мир». Во время этих сеансов, при обнаружении ЛФ, они нажимали кнопку на джойстике. После каждого сеанса они записывали свои впечатления. Траектории частиц, попавших в глаз в момент, когда астронавты сообщали об обнаружении ЛФ, должны были пройти через слои кремния, предназначенные для обнаружения протонов и ядер и их различения. Результаты показали, что «непрерывная линия» и «линия с разрывами» наблюдались в большинстве случаев. Реже сообщалось о «бесформенном пятне», «пятне с ярким ядром» и «концентрических кругах». Собранные данные также позволили исследователям предположить, что чувствительность к ЛФ имеет тенденцию снижаться в течение первых двух недель миссии. Что касается вероятной причины ЛФ, исследователи пришли к выводу, что ядра, скорее всего, являются основной причиной. Этот вывод основан на том, что по сравнению с периодом «Все время», в период «Временное окно ЛФ» частота обнаружения ядер увеличилась примерно в шесть-семь раз, в то время как частота обнаружения протонов увеличилась лишь в два раза при сравнении этих двух периодов. Таким образом, исследователи исключили эффект Черенкова в качестве вероятной причины ЛФ, наблюдаемой в космосе, по крайней мере, в данном случае.

Наземные эксперименты в 1970-х годах

Эксперименты, проведенные в 1970-х годах, также изучали это явление. Эти эксперименты показали, что, хотя было предложено несколько объяснений того, почему астронавты наблюдали световые вспышки (ЛФ), могут существовать и другие причины. Чарман и др. (1971) задались вопросом, являются ли ЛФ результатом попадания отдельных ядер космических лучей в глаз и непосредственной стимуляции глаз астронавтов, или же они обусловлены излучением Черенкова в сетчатке. Исследователи попросили наблюдателей рассматривать нейтронный луч, состоящий из 3 или 14 моноэнергетических нейтронов МэВ, в различных ориентациях относительно головы. Состав этих пучков гарантировал, что частицы, генерируемые в глазу, имели энергию менее 500 МэВ, что считалось порогом Черенкова, что позволило исследователям разделить одну возможную причину ЛФ от другой. Наблюдатели рассматривали нейтронный луч после полной адаптации к темноте. Нейтронный луч с энергией 3 МэВ не вызывал сообщений о ЛФ, независимо от того, был ли он направлен на наблюдателей через переднюю часть глаза или через затылок. Однако при использовании нейтронного луча с энергией 14 МэВ ЛФ регистрировались. Сообщалось о кратковременных "полосах", когда луч входил в один глаз спереди. Эти "полосы" имели различную длину (максимум 2 градуса углового размера) и могли быть синевато-белыми или бесцветными. Все, кроме одного наблюдателя, сообщали о наблюдении более слабых, но большего количества "точек" или коротких линий в центре поля зрения. При попадании луча в оба глаза в боковой ориентации количество зарегистрированных полос увеличивалось. Ориентация полос соответствовала ориентации луча, входящего в глаз. В отличие от предыдущего случая, полосы были более распространены в периферии, чем в центре поля зрения. Наконец, при попадании луча в затылок, только один человек сообщил о наблюдении ЛФ. На основании этих результатов исследователи пришли к выводу, что, по крайней мере, в данном случае, вспышки не могли быть вызваны эффектами излучения Черенкова в самом глазу (хотя они не исключали возможности применимости объяснения излучением Черенкова к случаю с астронавтами). Они также предположили, что поскольку количество наблюдаемых ЛФ значительно уменьшалось при попадании луча в затылок, ЛФ, вероятно, не были вызваны непосредственной стимуляцией зрительной коры, поскольку это уменьшение указывало на ослабление луча при прохождении через череп и мозг перед достижением сетчатки. Наиболее вероятным объяснением было то, что ЛФ были результатом непосредственной стимуляции и "активации" рецепторов сетчатки частицами в луче. В другом эксперименте Тобиас и др. (1971) подвергли двух человек воздействию пучка нейтронов с энергией от 20 до 640 МэВ после полной адаптации к темноте. Один наблюдатель, получивший четыре экспозиции продолжительностью от 1 до 3,5 секунды, наблюдал "точечные" вспышки. Он описал их как "светящиеся шары, подобные фейерверкам, с размытыми хвостами и крошечными звездами вместо голов". Другой наблюдатель, получивший одну экспозицию продолжительностью три секунды, сообщил об обнаружении от 25 до 50 "ярких дискретных огней, которые он описал как звезды голубовато-белого цвета, приближающиеся к нему". На основании этих результатов исследователи, как и в работе Чармана и др. (1971), пришли к выводу, что, хотя эффект Черенкова может быть правдоподобным объяснением ЛФ, испытываемых астронавтами, в данном случае этот эффект не может объяснить ЛФ, наблюдаемые наблюдателями. Возможно, наблюдаемые ЛФ были результатом взаимодействия сетчатки с излучением. Они также предположили, что наблюдаемые траектории могут указывать на траектории внутри самой сетчатки, причем начальные участки полосы или траектории затухают по мере ее продвижения. Учитывая проведенные эксперименты, по крайней мере в некоторых случаях наблюдаемые ЛФ, по-видимому, вызваны активацией нейронов вдоль зрительного пути, что приводит к возникновению фосфенов. Однако, поскольку исследователи не могут окончательно исключить эффект излучения Черенкова в качестве вероятной причины ЛФ, испытываемых астронавтами, вероятно, что некоторые ЛФ могут быть результатом эффектов излучения Черенкова в самом глазу. Эффект Черенкова может вызывать излучение света Черенкова в стекловидном теле глаза, что позволяет человеку воспринимать ЛФ. Таким образом, представляется, что ЛФ, воспринимаемые астронавтами в космосе, имеют различные причины. Некоторые могут быть результатом фактического света, стимулирующего сетчатку, в то время как другие могут быть результатом активности, происходящей в нейронах вдоль зрительного пути, что приводит к возникновению фосфенов.

Experiments conducted in the 1970s also studied the phenomenon. These experiments revealed that although several explanations for why the LF were observed by astronauts have been proposed, there may be other causes as well. Charman et al. (1971) asked whether the LF were the result of single cosmic ray nuclei entering the eye and directly exciting the eyes of the astronauts, as opposed to the result of Cherenkov radiation within the retina. The researchers had observers view a neutron beam, composed of either 3 or 14 MeV monoenergetic neutrons, in several orientations, relative to their heads. The composition of these beams ensured that particles generated in the eye were below 500 MeV, which was considered the Cherenkov threshold, thereby allowing the researchers to separate one cause of the LF from the other. Observers viewed the neutron beam after being completely dark adapted. The 3 MeV neutron beam produced no reporting of LF whether it was exposed to the observers through the front exposure of one eye or through the back of the head. With the 14 MeV neutron beam, however, LF were reported. Lasting for short periods of time, "streaks" were reported when the beam entered one eye from the front. The "streaks" seen had varying lengths (a maximum of 2 degrees of visual angle), and were seen to either have a blueish white color or be colorless. All but one observer reported seeing fainter but a higher number of "points" or short lines in the center of visual field. When the beam entered both eyes in a lateral orientation, the number of streaks reported increased. The orientation of the streaks corresponded to the orientation of the beam entering the eye. Unlike in the previous case, the streaks seen were more abundant in the periphery than the center of visual field. Lastly, when the beam entered the back of the head, only one person reported seeing the LF. From these results, the researchers concluded that at least for the LF seen in this case, the flashes could not be due to Cherenkov radiation effects in the eye itself (although they did not rule out the possibility that the Cherenkov radiation explanation was applicable to the case of the astronauts). They also suggested that because the number of LF observed decreased significantly when the beam entered the back of the head, the LF were likely not caused by the visual cortex being directly stimulated as this decrease suggested that the beam was weakened as it passed through the skull and brain before reaching the retina. The most probable explanation proposed was that the LF were a result of the receptors on the retina being directly stimulated and "turned on" by a particle in the beam. In another experiment, Tobias et al. (1971) exposed two people to a beam composed of neutrons ranging from 20 to 640 MeV after they were fully dark adapted. One observer, who was given four exposures ranging in duration from one to 3.5 seconds, observed "pinpoint" flashes. The observer described them as being similar to "luminous balls seen in fireworks, with initial tails fuzzy and heads like tiny stars". The other observer who was given one exposure lasting three seconds long, reported seeing 25 to 50 "bright discrete light, he described as stars, blue white in color, coming towards him". Based on these results, the researchers, like in Charman et al. (1971), concluded that while the Cherenkov effect may be the plausible explanation for the LF experienced by astronauts, in this case, that effect cannot explain the LF seen by the observers. It is possible that the LF observed were the result of interaction of the retina with radiation. They also suggested that the tracks seen may point to tracks that are within the retina itself, with the earlier portions of the streak or track fading as it moves. Considering the experiments conducted, at least in some cases the LF observed appear to be caused by activation of neurons along the visual pathway, resulting in phosphenes. However, because the researchers cannot definitively rule out the Cherenkov radiation effects as a probable cause of the LF experienced by astronauts, it seems likely that some LF may be the result of Cherenkov radiation effects in the eye itself, instead. The Cherenkov effect can cause Cherenkov light to be emitted in the vitreous body of the eye and thus allow the person to perceive the LF. Hence, it appears that the LF perceived by astronauts in space have different causes. Some may be the result of actual light stimulating the retina, while others may be the result of activity that occurs in neurons along the visual pathway, producing phosphenes.