Κάθε δευτερόλεπτο, αμέτρητα αόρατα σωματίδια περνούν μέσα από το ανθρώπινο σώμα χωρίς να αισθανόμαστε το παραμικρό.

Ορισμένα προέρχονται από τον Ήλιο, άλλα από μακρινούς γαλαξίες και κάποια δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα της Γης. Τι γνωρίζει η επιστήμη για αυτή την ασταμάτητη «βροχή» από το Διάστημα και κατά πόσο μπορεί να επηρεάσει την υγεία μας;

Μπορεί να μην το αντιλαμβανόμαστε, αλλά το σώμα μας βρίσκεται διαρκώς σε επαφή με έναν αόρατο κόσμο υποατομικών σωματιδίων. Ακόμη κι αυτή τη στιγμή, ενώ διαβάζεις αυτές τις γραμμές, ένας ασύλληπτος αριθμός σωματιδίων διαπερνά το σώμα σου, συνεχίζοντας το ταξίδι του χωρίς να αφήνει κάποιο αισθητό ίχνος.

Ορισμένα έχουν ξεκινήσει από τον Ήλιο, ενώ άλλα έχουν ταξιδέψει εκατομμύρια ή ακόμη και δισεκατομμύρια χρόνια από απομακρυσμένες περιοχές του Σύμπαντος.

Ακούγεται εντυπωσιακό, ίσως και λίγο ανησυχητικό. Ωστόσο, η παρουσία αυτών των σωματιδίων δεν αποτελεί κάποιο νέο φαινόμενο. Η Γη εκτίθεται σε κοσμική ακτινοβολία εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια και η ατμόσφαιρά της λειτουργεί ως μια σημαντική φυσική ασπίδα προστασίας.

Για να κατανοήσουμε τι ακριβώς συμβαίνει, χρειάζεται να επιστρέψουμε σε μια ιστορική επιστημονική ανακάλυψη.

Η ανακάλυψη που αποκάλυψε την αόρατη ακτινοβολία του Διαστήματος

Το 1912, ο Αυστριακός φυσικός Victor Hess πραγματοποίησε ένα πρωτοποριακό πείραμα που άλλαξε τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες αντιλαμβάνονταν την ακτινοβολία.

Ανεβαίνοντας με αερόστατο σε υψόμετρο περίπου 5,3 χιλιομέτρων, επιχείρησε να μετρήσει τον ιονισμό της ατμόσφαιρας.

Ο ιονισμός είναι η διαδικασία κατά την οποία άτομα ή μόρια αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο, επειδή χάνουν ή προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια.

Μέχρι τότε, υπήρχε η αντίληψη ότι σημαντικό μέρος της ακτινοβολίας που προκαλούσε τον ιονισμό προερχόταν από ραδιενεργές ουσίες στο έδαφος.

Ο Hess, όμως, παρατήρησε κάτι απροσδόκητο.

Όσο το αερόστατο ανέβαινε, ο ιονισμός όχι μόνο δεν μειωνόταν, αλλά αυξανόταν σημαντικά. Σε μεγάλο υψόμετρο έφτανε περίπου στο τριπλάσιο της τιμής που είχε μετρηθεί κοντά στην επιφάνεια της θάλασσας.

Το συμπέρασμα ήταν επαναστατικό: μια σημαντική πηγή της ακτινοβολίας βρισκόταν έξω από τη Γη.

Με αυτόν τον τρόπο, ο Hess συνέβαλε στην ανακάλυψη των κοσμικών ακτίνων, ανοίγοντας έναν εντελώς νέο δρόμο στην αστροφυσική και στη μελέτη των στοιχειωδών σωματιδίων.

Περισσότερο από έναν αιώνα αργότερα, γνωρίζουμε πολύ περισσότερα για αυτά τα σωματίδια και την πορεία τους προς τον πλανήτη μας.

Η γήινη ατμόσφαιρα λειτουργεί σαν ένα πολυεπίπεδο φίλτρο. Ορισμένα σωματίδια ανακόπτονται στα ανώτερα στρώματά της, άλλα συγκρούονται με άτομα και μόρια του αέρα, ενώ από αυτές τις συγκρούσεις παράγονται νέα, δευτερογενή σωματίδια.

Κάποια από αυτά φτάνουν μέχρι την επιφάνεια της Γης και διαπερνούν το σώμα μας.

Ποια είναι τα σωματίδια που περνούν μέσα από το σώμα μας;

1. Νετρίνα: Οι αόρατοι ταξιδιώτες του Σύμπαντος

Τα νετρίνα είναι από τα πιο πολυάριθμα σωματίδια που διαπερνούν καθημερινά το ανθρώπινο σώμα.

Πρόκειται για υποατομικά σωματίδια με εξαιρετικά μικρή μάζα και χωρίς ηλεκτρικό φορτίο. Ένα από τα πιο ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους είναι ότι αλληλεπιδρούν εξαιρετικά σπάνια με την ύλη.

Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να περάσουν μέσα από τεράστιες ποσότητες υλικού χωρίς να συγκρουστούν με άλλα σωματίδια.

Ο Michael Pravica, καθηγητής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Νεβάδα στο Λας Βέγκας, ανέφερε στο Live Science ότι εκτιμάται πως περίπου 100 τρισεκατομμύρια νετρίνα διαπερνούν κάθε άνθρωπο ανά δευτερόλεπτο.

Ο αριθμός μοιάζει απίστευτος, όμως στην πράξη τα περισσότερα από αυτά συνεχίζουν την πορεία τους χωρίς να αλληλεπιδράσουν με το σώμα μας.

Η πλειονότητα των νετρίνων που φτάνουν στη Γη παράγεται στο εσωτερικό του Ήλιου, κατά τις αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης που απελευθερώνουν την ενέργειά του.

Υπάρχουν, ωστόσο, και νετρίνα με πολύ πιο μακρινή προέλευση.

Όπως εξηγεί η Lu Lu, επίκουρη καθηγήτρια Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν στο Μάντισον, ορισμένα προέρχονται από αστροφυσικά φαινόμενα που συμβαίνουν σε άλλους γαλαξίες.

Η μελέτη τους παρουσιάζει τεράστιο επιστημονικό ενδιαφέρον, επειδή μπορούν να μεταφέρουν πληροφορίες από περιοχές του Σύμπαντος στις οποίες το φως δυσκολεύεται να διαφύγει.

2. Κοσμικές ακτίνες: Σωματίδια που ταξιδεύουν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός

Μια άλλη κατηγορία σωματιδίων που φτάνει στον πλανήτη μας είναι οι κοσμικές ακτίνες.

Παρά την ονομασία τους, δεν πρόκειται κυρίως για ακτίνες φωτός, αλλά για σωματίδια υψηλής ενέργειας.

Αποτελούνται κατά κύριο λόγο από πρωτόνια, δηλαδή πυρήνες ατόμων υδρογόνου, καθώς και από πυρήνες ηλίου και βαρύτερων χημικών στοιχείων.

Σε μικρότερες ποσότητες περιλαμβάνουν επίσης ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, τα οποία αποτελούν τα αντισωματίδια των ηλεκτρονίων.

Πολλές κοσμικές ακτίνες προέρχονται από εξαιρετικά ενεργητικά αστροφυσικά φαινόμενα έξω από το ηλιακό μας σύστημα.

Ανάμεσα στις πιθανές πηγές τους συγκαταλέγονται οι εκρήξεις υπερκαινοφανών αστέρων (supernovae), οι ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες και περιοχές κοντά σε υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Οι συγκρούσεις και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ γαλαξιών μπορούν επίσης να δημιουργήσουν συνθήκες που συνδέονται με την επιτάχυνση σωματιδίων.

Τα σωματίδια αυτά αποκτούν τεράστιες ενέργειες και ταξιδεύουν στο Διάστημα με ταχύτητες που πλησιάζουν εκείνη του φωτός.

Όταν φτάνουν στη Γη, πολλά από αυτά συγκρούονται με τα μόρια της ατμόσφαιρας και προκαλούν αλυσιδωτές αντιδράσεις.

3. Μιόνια και νετρόνια: Τα σωματίδια που δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα

Όταν μια κοσμική ακτίνα υψηλής ενέργειας συγκρουστεί με κάποιο άτομο στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, μπορεί να δημιουργηθεί ένας ολόκληρος καταιγισμός δευτερογενών σωματιδίων.

Ανάμεσά τους βρίσκονται τα μιόνια και τα νετρόνια.

Τα νετρόνια είναι ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια που, μαζί με τα πρωτόνια, αποτελούν τους πυρήνες των ατόμων.

Τα μιόνια, από την άλλη πλευρά, μοιάζουν με τα ηλεκτρόνια, αλλά έχουν μάζα περίπου 207 φορές μεγαλύτερη.

Διαθέτουν ηλεκτρικό φορτίο και μπορούν να αλληλεπιδρούν με την ύλη καθώς τη διαπερνούν.

Η πορεία τους μπορεί μάλιστα να παρατηρηθεί με ειδικά επιστημονικά όργανα, όπως ο θάλαμος νέφωσης, όπου τα φορτισμένα σωματίδια αφήνουν ορατά ίχνη μέσα σε υπέρκορους ατμούς.

Η Lu Lu εξηγεί ότι, στο επίπεδο της θάλασσας, περίπου ένα μιόνιο διέρχεται από κάθε τετραγωνικό εκατοστό ανά λεπτό.

Για το ανθρώπινο σώμα, αυτό μεταφράζεται σε δεκάδες έως εκατοντάδες μιόνια κάθε δευτερόλεπτο, ανάλογα με την επιφάνεια και τον προσανατολισμό του σώματος.

Μάλιστα, περίπου ένα ή δύο μιόνια μπορούν να διαπερνούν το χέρι μας κάθε δευτερόλεπτο.

Κι όμως, δεν αισθανόμαστε απολύτως τίποτα.

Μπορούν αυτά τα σωματίδια να επηρεάσουν την υγεία μας;

Το γεγονός ότι το σώμα μας διαπερνάται συνεχώς από σωματίδια του Διαστήματος δεν σημαίνει απαραίτητα ότι κινδυνεύουμε.

Σύμφωνα με τους επιστήμονες, η πιθανή βιολογική επίδραση εξαρτάται από το είδος των σωματιδίων, την ενέργεια που μεταφέρουν, τη συχνότητα των αλληλεπιδράσεών τους και την ποσότητα της ακτινοβολίας που απορροφά ο οργανισμός.

Γιατί τα νετρίνα θεωρούνται πρακτικά ακίνδυνα;

Στην περίπτωση των νετρίνων, ο κίνδυνος για την υγεία είναι πρακτικά αμελητέος υπό τις φυσιολογικές συνθήκες έκθεσης στη Γη.

Παρότι τρισεκατομμύρια νετρίνα περνούν μέσα από το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο, η πιθανότητα να αλληλεπιδράσουν με κάποιο άτομο του οργανισμού είναι εξαιρετικά μικρή.

Η Lu Lu επισημαίνει ότι, για τα συνήθη νετρίνα που μας διαπερνούν, θα μπορούσε κανείς να περιμένει περίπου μία ή ελάχιστες αλληλεπιδράσεις μέσα στο ανθρώπινο σώμα σε ολόκληρη τη διάρκεια της ζωής του.

Η ενέργεια που θα μεταφερόταν στον οργανισμό από τέτοιες σπάνιες αλληλεπιδράσεις είναι τόσο μικρή, ώστε τα νετρίνα δεν θεωρούνται κίνδυνος για την ανθρώπινη υγεία.

Τι συμβαίνει με τα μιόνια και τα νετρόνια;

Σε αντίθεση με τα νετρίνα, τα μιόνια και τα νετρόνια μπορούν να αλληλεπιδράσουν περισσότερο με την ύλη.

Αποτελούν μέρος της φυσικής ιονίζουσας ακτινοβολίας στην οποία εκτιθέμεθα καθημερινά.

Στο επίπεδο του εδάφους, τα μιόνια αντιπροσωπεύουν το μεγαλύτερο μέρος των διεισδυτικών φορτισμένων σωματιδίων που προκύπτουν από τις κοσμικές ακτίνες, όπως εξηγεί η Lu.

Για έναν μέσο άνθρωπο, η ετήσια έκθεση στην κοσμική ακτινοβολία εκτιμάται περίπου στα 0,4 millisievert (mSv), αν και η τιμή διαφοροποιείται ανάλογα με τις συνθήκες και τη γεωγραφική περιοχή.

Η ποσότητα αυτή μπορεί να συγκριθεί, ως προς την τάξη μεγέθους, με τη συνολική δόση από μερικές απλές ακτινογραφίες θώρακος, ανάλογα με την τεχνική που χρησιμοποιείται.

Η συνολική φυσική ακτινοβολία που δέχεται ένας άνθρωπος από το περιβάλλον εκτιμάται παραδοσιακά σε περίπου 2,4 mSv ετησίως σε παγκόσμιο μέσο όρο, αν και νεότερες εκτιμήσεις και τοπικές μετρήσεις μπορεί να δίνουν διαφορετικές τιμές.

Η φυσική ακτινοβολία προέρχεται από διάφορες πηγές, όπως τα πετρώματα, το έδαφος, το ραδόνιο, ορισμένα φυσικά ραδιοϊσότοπα που υπάρχουν στον οργανισμό και, φυσικά, τις κοσμικές ακτίνες.

Στα συνηθισμένα επίπεδα έκθεσης στην επιφάνεια της Γης, η κοσμική ακτινοβολία αποτελεί ένα σχετικά μικρό μέρος της συνολικής φυσικής δόσης και δεν θεωρείται λόγος ιδιαίτερης ανησυχίας για τον γενικό πληθυσμό.

Γιατί η έκθεση στην κοσμική ακτινοβολία αυξάνεται στα αεροπλάνα;

Η ατμόσφαιρα προστατεύει τον πλανήτη μας απορροφώντας ή περιορίζοντας σημαντικό μέρος της κοσμικής ακτινοβολίας.

Όσο μεγαλύτερο είναι το υψόμετρο, τόσο μικρότερο είναι το πάχος της ατμόσφαιρας που βρίσκεται πάνω από εμάς και τόσο λιγότερη προστασία προσφέρει.

Γι’ αυτό η έκθεση στην κοσμική ακτινοβολία είναι μεγαλύτερη κατά τη διάρκεια μιας αεροπορικής πτήσης σε σχέση με την παραμονή στο έδαφος.

Επιπλέον, σημαντικό ρόλο παίζει το γεωγραφικό πλάτος, καθώς το μαγνητικό πεδίο της Γης επηρεάζει την πορεία των φορτισμένων κοσμικών σωματιδίων.

Οι πτήσεις σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη, ιδιαίτερα κοντά στους πόλους, μπορούν να συνοδεύονται από υψηλότερη έκθεση.

Για τους περιστασιακούς ταξιδιώτες, η επιπλέον δόση από μια συνηθισμένη πτήση είναι γενικά μικρή.

Ωστόσο, οι πιλότοι και τα μέλη πληρώματος καμπίνας εκτίθενται επαγγελματικά σε μεγαλύτερες αθροιστικές δόσεις, επειδή περνούν πολλές ώρες κάθε χρόνο σε μεγάλο υψόμετρο.

Ορισμένες επιδημιολογικές μελέτες έχουν παρατηρήσει αυξημένα ποσοστά συγκεκριμένων μορφών καρκίνου σε πληρώματα αεροσκαφών.

Παρ’ όλα αυτά, δεν είναι πάντα δυνατό να αποδοθεί η αύξηση αποκλειστικά στην κοσμική ακτινοβολία, καθώς ενδέχεται να εμπλέκονται και άλλοι παράγοντες, όπως οι διαταραχές του κιρκάδιου ρυθμού, οι επαγγελματικές συνθήκες και η έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία.

Πώς τα κοσμικά σωματίδια βοηθούν τους επιστήμονες να κατανοήσουν το Σύμπαν;

Πέρα από τη σχέση τους με την ακτινοβολία, τα σωματίδια που φτάνουν στη Γη αποτελούν πολύτιμη πηγή επιστημονικής γνώσης.

Για πολλές δεκαετίες, πριν από την ανάπτυξη των σύγχρονων επιταχυντών σωματιδίων, οι κοσμικές ακτίνες λειτουργούσαν ως ένα φυσικό εργαστήριο για τους φυσικούς.

Μέσα από τη μελέτη τους ανακαλύφθηκαν σημαντικά στοιχειώδη σωματίδια.

Το 1932 ανακαλύφθηκε το ποζιτρόνιο, το πρώτο αντισωματίδιο που παρατηρήθηκε πειραματικά, ενώ το 1937 ανακαλύφθηκε το μιόνιο.

Οι ανακαλύψεις αυτές συνέβαλαν καθοριστικά στην εξέλιξη της σωματιδιακής φυσικής και στην κατανόηση της δομής της ύλης.

Σήμερα, ένα από τα σημαντικότερα πεδία έρευνας αφορά τα νετρίνα υψηλής ενέργειας.

Επειδή τα νετρίνα αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη, μπορούν να διαφύγουν από περιοχές του Σύμπαντος που είναι αδιαφανείς στο φως.

Αυτό τα καθιστά ιδιαίτερα χρήσιμα για τη μελέτη ακραίων αστροφυσικών φαινομένων.

Όπως εξηγεί η Lu Lu, τα νετρίνα υψηλής ενέργειας μπορούν να προσφέρουν πληροφορίες για ορισμένα από τα πιο βίαια και δυσπρόσιτα περιβάλλοντα του Σύμπαντος.

Σε αυτά περιλαμβάνονται περιοχές κοντά σε μαύρες τρύπες, εκρήξεις αστέρων και άλλοι ισχυροί κοσμικοί επιταχυντές.

Με άλλα λόγια, τα νετρίνα μπορούν να μεταφέρουν πληροφορίες από γεγονότα που συμβαίνουν σε τεράστιες αποστάσεις από τη Γη και τα οποία δεν θα μπορούσαμε να μελετήσουμε εξίσου αποτελεσματικά μόνο μέσω της παρατήρησης του φωτός.

Από το Διάστημα μέχρι τις πυραμίδες: Οι απρόσμενες εφαρμογές των μιονίων

Η χρησιμότητα των κοσμικών σωματιδίων δεν περιορίζεται στην αστροφυσική.

Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει τεχνικές που αξιοποιούν τα μιόνια για να εξετάζουν το εσωτερικό μεγάλων κατασκευών χωρίς να χρειάζεται να τις καταστρέψουν ή να επέμβουν σε αυτές.

Μία από αυτές είναι η μιονική τομογραφία (muon tomography).

Η μέθοδος βασίζεται στη μέτρηση των μιονίων που διαπερνούν ένα αντικείμενο ή μια κατασκευή. Ανάλογα με την πυκνότητα και το πάχος των υλικών, διαφορετικός αριθμός σωματιδίων καταφέρνει να περάσει μέσα από αυτά.

Με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργήσουν εικόνες του εσωτερικού μεγάλων δομών.

Η τεχνολογία έχει χρησιμοποιηθεί ακόμη και στην αρχαιολογία, συμβάλλοντας στον εντοπισμό άγνωστων κενών χώρων στο εσωτερικό αιγυπτιακών πυραμίδων.

Ανάμεσα στα πιο γνωστά παραδείγματα είναι οι έρευνες στη Μεγάλη Πυραμίδα της Γκίζας, όπου η ανίχνευση μιονίων βοήθησε στην αποκάλυψη προηγουμένως άγνωστων εσωτερικών χώρων.

Ανάλογες τεχνικές μπορούν να αξιοποιηθούν και για τη μελέτη ηφαιστείων, γεωλογικών σχηματισμών και μεγάλων βιομηχανικών εγκαταστάσεων.

Έτσι, τα ίδια σωματίδια που δημιουργούνται από κοσμικές συγκρούσεις στην ατμόσφαιρα μπορούν να γίνουν εργαλεία για την εξερεύνηση τόσο του Διαστήματος όσο και του ίδιου του πλανήτη μας.

Πρέπει τελικά να μας ανησυχεί αυτή η αόρατη «βροχή»;

Η ιδέα ότι αμέτρητα σωματίδια περνούν διαρκώς μέσα από το σώμα μας μπορεί αρχικά να προκαλεί ανησυχία.

Ωστόσο, πρόκειται για μια απολύτως φυσική διαδικασία που συμβαίνει αδιάκοπα σε ολόκληρο τον πλανήτη.

Τα νετρίνα διαπερνούν σχεδόν ανεμπόδιστα την ύλη και δεν αποτελούν πρακτικό κίνδυνο για την υγεία μας.

Τα μιόνια και τα υπόλοιπα δευτερογενή σωματίδια συμβάλλουν στη φυσική ακτινοβολία του περιβάλλοντος, αλλά η συνηθισμένη έκθεση στην επιφάνεια της Γης παραμένει σχετικά χαμηλή.

Παράλληλα, η μελέτη τους έχει προσφέρει σημαντικές επιστημονικές ανακαλύψεις, από την αναγνώριση νέων στοιχειωδών σωματιδίων μέχρι την εξερεύνηση μαύρων τρυπών και την αποκάλυψη κρυφών χώρων σε αρχαία μνημεία.

Το πιο εντυπωσιακό είναι ότι, ακόμη κι όταν στεκόμαστε ακίνητοι, το σώμα μας βρίσκεται σε συνεχή επαφή με σωματίδια που ταξιδεύουν σε ολόκληρο το Σύμπαν.

Μια αόρατη υπενθύμιση ότι ο πλανήτης μας δεν είναι απομονωμένος, αλλά αποτελεί μέρος ενός τεράστιου, διαρκώς μεταβαλλόμενου κοσμικού περιβάλλοντος.