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太空看似空无一物，却充满了看不见、摸不着，也感觉不到的宇宙辐射，它们极其危险，会对人体组织造成非常严重的伤害。对宇航员最危险的是银河宇宙射线（Galactic Cosmic Ray，GCR），它们是从死亡恒星产生的超新星遗迹中逸出的带电原子核，以近光速飞行。除了均匀遍布宇宙的银河宇宙射线，太阳也会发出能量高低各异的质子（电离的氢离子）。宇宙中的辐射粒子主要都是这种质子，由于质量较小，相比那些更重的粒子，它们对人类大脑造成的伤害相对轻微。但最重要的是，所有这些粒子都拥有足够的能量，能轻松穿透航天器的船体以及航天员的身体。地球的磁场可以改变大部分宇宙粒子的方向，从而保护地球生物免受伤害，而超出磁气圈的太空旅行，则会让宇航员无可避免地暴露在这些粒子中，并导致身体组织受到伤害。
宇宙辐射之所以会对人体造成伤害，是因为这些粒子穿透人体时，会留下一些自身的能量，“电离”人体组织中的原子，使原本中性的原子释放电子，转变成带电粒子。这些带电粒子会沿着一定的轨道移动，撞击出更多电子，并产生次级的电离轨迹，造成更大的破坏。辐射粒子越重，就拥有更多的能量，并且能够电离更多的原子。
电子的重新分配会使一些原子间的化学键断裂，从而破坏蛋白质、脂质、核酸，以及人体组织和细胞内的其他重要分子。电子的转移会形成自由基，这些自由基因为没有足够的电子填充原子轨道，因此会更加活跃，它们渴望与临近的原子或分子的电子进行配对，以填满原子轨道。因此，这些自由基会和体内其他分子发生反应，将它们转化成新的化合物，从而无法再执行这些分子原本的生理功能。比如，当自由基接触到DNA分子，它们就会分解DNA的糖—磷酸骨架或者破坏核酸碱基。
科学家以“吸收剂量”，也就是每单位人体质量所吸收的由辐射产生的能量，作为测量辐射的指标。吸收剂量的单位是戈瑞（Gray，缩写Gy），1Gy表示1焦耳/千克。此外辐射还可以有不同“品质”，指的是每单位剂量所产生的电离密度。科学家依据线性能量传递（Linear Energy Transfer，LET）对辐射进行分类。线性能量传递指的是粒子运动单位距离所损失的能量。举例来说，每单位剂量的高LET辐射会比同等剂量的低LET辐射更危险，因为它会在人体中留下更多能量，从而可以使更多原子电离，对细胞产生的破坏也更难修复。因为在银河宇宙射线中存在的多种辐射都有相对较高的LET，所以这个指标对深空旅行有很重要的意义，我们会在下文详述。
与低质量辐射粒子相比，质量较大的高能辐射粒子穿过人体时，其轨迹内产生的自由基更为密集，造成的电离破坏也更大。在分子水平上，我们发现纳米尺度的自由基高密区，能在较小体积内对分子造成大量损伤。因此，相比光子辐射（如X射线和伽马射线），较重的带电粒子会导致多得多的“密集”损伤区域。正是因为这种破坏的力度，使得太空辐射比地球上传统的电离辐射更危险。
地球的磁场可以保护地球生物免受伤害，但超出磁气圈的太空旅行，则会让宇航员无可避免地暴露在这些粒子中。
图片来源：NASA-MSFC
尽管带电粒子在太空中无处不在，但要在地球上模拟这些辐射场并研究它们的影响却并不容易。只有有限的几个实验室可以模拟太空辐射，美国航空航天局太空辐射实验室（NASA Space Radiation Laboratory）就是其中之一。这是由美国航空航天局和布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）在2003年部署于长岛的实验设施。那里的大型粒子加速器可以把不同质量的离子加速到接近太空辐射的速度。包括我在内的实验者把测试目标（我们的实验测试的是小鼠）放在辐射传播路径上，然后测量辐射对目标的影响。这些测试可以告诉我们，不同剂量、不同类型的宇宙辐射对活体组织有何影响。
