Promieniowanie w kosmosie daje wskazówki dotyczące wszechświata

Próbka teleskopów (działających od lutego 2013) na długościach fal w całym spektrum elektromagnetycznym. Kilka z tych obserwatoriów obserwuje więcej niż jedno pasmo widma EM. NASA

Astronomia to nauka o obiektach we wszechświecie, które promieniują (lub odbijają) energię z całego spektrum elektromagnetycznego. Astronomowie badają promieniowanie ze wszystkich obiektów we wszechświecie. Przyjrzyjmy się dokładniej formom promieniowania.

Grafika przedstawiająca planetę krążącą wokół pulsara. Pulsary to bardzo szybko wirujące gwiazdy neutronowe, które są martwymi jądrami masywnych gwiazd i obracają się wokół swoich osi często setki razy na sekundę. Emitują fale radiowe i światło optyczne. Mark Garlick / Science Photo Library (Getty Images)

Znaczenie dla astronomii

Aby w pełni zrozumieć wszechświat, naukowcy muszą spojrzeć na niego w całym spektrum elektromagnetycznym. Obejmuje to cząstki wysokoenergetyczne, takie jak promienie kosmiczne. Niektóre obiekty i procesy są w rzeczywistości całkowicie niewidoczne w pewnych długościach fal (nawet optycznych), dlatego astronomowie patrzą na nie w wielu długościach fal. Coś niewidocznego na jednej długości fali lub częstotliwości może być bardzo jasne na innej, a to mówi naukowcom coś bardzo ważnego na ten temat.

Rodzaje promieniowania

Promieniowanie opisuje cząstki elementarne, jądra i fale elektromagnetyczne, które rozchodzą się w przestrzeni. Naukowcy zazwyczaj odnoszą się do promieniowania na dwa sposoby: jonizujące i niejonizujące.

Promieniowanie jonizujące

Jonizacja to proces, w którym elektrony są usuwane z atomu. Dzieje się tak cały czas w przyrodzie i wymaga jedynie zderzenia atomu z fotonem lub cząsteczką o energii wystarczającej do wzbudzenia elekcji. Kiedy tak się dzieje, atom nie może dłużej utrzymywać wiązania z cząsteczką.

Pewne formy promieniowania niosą wystarczającą ilość energii do jonizacji różnych atomów lub cząsteczek. Mogą wyrządzić znaczną szkodę jednostkom biologicznym, powodując raka lub inne poważne problemy zdrowotne. Stopień uszkodzenia popromiennego zależy od tego, ile promieniowania zostało wchłonięte przez organizm.

Widmo elektromagnetyczne przedstawia się w funkcji częstotliwości/długości fali i temperatury. Obserwatorium Rentgenowskie Chandra

Minimalny próg energia potrzebna do uznania promieniowania za jonizujące wynosi około 10 elektronowoltów (10 eV). Istnieje kilka form promieniowania, które naturalnie występują powyżej tego progu:

• Promienie gamma : Promienie gamma (zazwyczaj oznaczane grecką literą γ) są formą promieniowania elektromagnetycznego. Reprezentują one formy światła o najwyższych energiach w wszechświat . Promienie gamma powstają w wyniku różnych procesów, od aktywności w reaktorach jądrowych po gwiezdne eksplozje zwane supernowe i wysoce energetyczne zdarzenia znane jako rozbłyski promieniowania gamma. Ponieważ promienie gamma są promieniowaniem elektromagnetycznym, nie wchodzą łatwo w interakcje z atomami, chyba że dojdzie do zderzenia czołowego. W tym przypadku promień gamma 'rozpadnie się' na parę elektron-pozyton. Jeśli jednak promieniowanie gamma zostanie pochłonięte przez jednostkę biologiczną (np. osobę), może to spowodować znaczne szkody, ponieważ zatrzymanie takiego promieniowania wymaga znacznej ilości energii. W tym sensie promienie gamma są prawdopodobnie najniebezpieczniejszą formą promieniowania dla ludzi. Na szczęście, chociaż mogą przenikać na kilka mil w naszą atmosferę, zanim wejdą w interakcję z atomem, nasza atmosfera jest na tyle gęsta, że ​​większość promieni gamma jest pochłaniana, zanim dotrą do ziemi. Jednak astronauci w kosmosie nie mają przed nimi ochrony i ograniczają się do czasu, jaki mogą spędzić „poza” statkiem kosmicznym lub stacją kosmiczną. Chociaż bardzo wysokie dawki promieniowania gamma mogą być śmiertelne, najbardziej prawdopodobnym skutkiem wielokrotnej ekspozycji na ponadprzeciętne dawki promieniowania gamma (takie jak na przykład te, których doświadczają astronauci) jest zwiększone ryzyko zachorowania na raka. Jest to coś, co dokładnie badają eksperci nauk przyrodniczych ze światowych agencji kosmicznych.
promienie rentgenowskie: promienie rentgenowskie są, podobnie jak promienie gamma, formą fal elektromagnetycznych (światła). Zwykle dzieli się je na dwie klasy: miękkie promieniowanie rentgenowskie (te o dłuższych falach) i twarde promieniowanie rentgenowskie (te o krótszej długości fali). Im krótsza długość fali (tj trudniejsze zdjęcie rentgenowskie), tym bardziej jest niebezpieczne. Dlatego w obrazowaniu medycznym stosuje się promienie rentgenowskie o niższej energii. Promienie rentgenowskie zazwyczaj jonizują mniejsze atomy, podczas gdy większe atomy mogą pochłaniać promieniowanie, ponieważ mają większe przerwy w energii jonizacji. To dlatego aparaty rentgenowskie bardzo dobrze obrazują takie rzeczy jak kości (są złożone z cięższych elementów), podczas gdy słabo obrazują tkanki miękkie (lżejsze elementy). Szacuje się, że aparaty rentgenowskie i inne urządzenia pochodne stanowią między 35-50% promieniowania jonizującego doświadczanego przez ludzi w Stanach Zjednoczonych. Cząstki alfa: Cząstka alfa (oznaczona grecką literą α) składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów; dokładnie taki sam skład jak jądro helu. Skupiając się na procesie rozpadu alfa, który je tworzy, oto co się dzieje: cząstka alfa jest wyrzucana z jądra macierzystego z bardzo dużą prędkością (a więc wysoką energią), zwykle przekraczającą 5% prędkość światła . Niektóre cząstki alfa docierają na Ziemię w postaci promieniowanie kosmiczne i może osiągać prędkości przekraczające 10% prędkości światła. Generalnie jednak cząstki alfa oddziałują na bardzo krótkie odległości, więc tutaj na Ziemi promieniowanie cząstek alfa nie stanowi bezpośredniego zagrożenia dla życia. Jest po prostu wchłaniany przez naszą zewnętrzną atmosferę. Jednakże to jest zagrożenie dla astronautów. Cząstki beta: Wynikiem rozpadu beta, cząstki beta (zwykle opisane grecką literą Β) są energetyczne elektrony, które uciekają, gdy neutron rozpada się na proton, elektron i anty- neutrin . Elektrony te są bardziej energetyczne niż cząstki alfa, ale mniej niż wysokoenergetyczne promienie gamma. Zwykle cząstki beta nie mają znaczenia dla zdrowia ludzkiego, ponieważ są łatwo osłonięte. Sztucznie wytworzone cząstki beta (jak w akceleratorach) mogą łatwiej wnikać w skórę, ponieważ mają znacznie wyższą energię. Niektóre miejsca używają tych wiązek cząstek do leczenia różnych rodzajów raka ze względu na ich zdolność do celowania w bardzo specyficzne regiony. Jednak guz musi znajdować się blisko powierzchni, aby nie uszkodzić znacznych ilości rozproszonej tkanki.
• Promieniowanie neutronowe : Neutrony o bardzo wysokiej energii powstają podczas syntezy jądrowej lub procesów rozszczepienia jądrowego. Mogą być następnie wchłonięte przez jądro atomowe, powodując przejście atomu w stan wzbudzony i emitowanie promieni gamma. Te fotony będą następnie wzbudzać otaczające je atomy, tworząc reakcję łańcuchową, prowadzącą do tego, że obszar stanie się radioaktywny. Jest to jeden z głównych sposobów, w jaki ludzie są ranni podczas pracy przy reaktorach jądrowych bez odpowiedniego sprzętu ochronnego.

Promieniowanie niejonizujące

Podczas gdy promieniowanie jonizujące (powyżej) dostaje całą prasę o szkodliwości dla ludzi, promieniowanie niejonizujące może mieć również znaczące skutki biologiczne. Na przykład promieniowanie niejonizujące może powodować oparzenia słoneczne. Jednak tego właśnie używamy do gotowania potraw w kuchenkach mikrofalowych. Promieniowanie niejonizujące może również przybierać postać promieniowania cieplnego, które może nagrzewać materiał (a tym samym atomy) do wystarczająco wysokich temperatur, aby spowodować jonizację. Jednak proces ten jest uważany za inny niż procesy kinetyczne lub jonizacji fotonowej.

Bardzo duża tablica radioteleskopów Karla Jansky'ego znajduje się w pobliżu Socorro w Nowym Meksyku. Ta tablica skupia się na emisjach radiowych z różnych obiektów i procesów na niebie. NRAO/AUI

• Fale radiowe : Fale radiowe to najdłuższa forma promieniowania elektromagnetycznego (światła). Obejmują od 1 milimetra do 100 kilometrów. Ten zakres pokrywa się jednak z pasmem mikrofalowym (patrz poniżej). Fale radiowe są wytwarzane naturalnie przezaktywne galaktyki(konkretnie z obszaru wokół ich supermasywne czarne dziury ), pulsary i w pozostałości po supernowych . Ale są też sztucznie tworzone na potrzeby przekazu radiowego i telewizyjnego.
• Mikrofale : Zdefiniowane jako długości fal światła od 1 milimetra do 1 metra (1000 milimetrów), mikrofale są czasami uważane za podzbiór fal radiowych. W rzeczywistości radioastronomia jest na ogół badaniem pasma mikrofalowego, ponieważ promieniowanie o większej długości fali jest bardzo trudne do wykrycia, ponieważ wymagałoby to detektorów o ogromnych rozmiarach; stąd tylko nieliczni wychodzą poza 1 metr długości fali. Chociaż nie jonizujące, mikrofale mogą nadal być niebezpieczne dla ludzi, ponieważ mogą przekazywać przedmiotowi dużą ilość energii cieplnej ze względu na jego interakcje z wodą i parą wodną. (Dlatego też obserwatoria mikrofalowe są zwykle umieszczane w wysokich, suchych miejscach na Ziemi, aby zmniejszyć ilość zakłóceń, jakie para wodna w naszej atmosferze może powodować w eksperymencie.
• Promieniowanie podczerwone : Promieniowanie podczerwone to pasmo promieniowania elektromagnetycznego, które zajmuje długości fal od 0,74 mikrometra do 300 mikrometrów. (W jednym metrze jest 1 milion mikrometrów.) Promieniowanie podczerwone jest bardzo zbliżone do światła optycznego, dlatego do jego badania stosuje się bardzo podobne techniki. Istnieją jednak pewne trudności do pokonania; mianowicie światło podczerwone jest wytwarzane przez obiekty porównywalne z „temperaturą pokojową”. Ponieważ elektronika używana do zasilania i sterowania teleskopami na podczerwień będzie działać w takich temperaturach, same instrumenty będą emitować światło podczerwone, zakłócając akwizycję danych. Dlatego przyrządy są chłodzone ciekłym helem, aby zmniejszyć przedostawanie się obcych fotonów podczerwonych do detektora. Większość czego słońce Emisja, która dociera do powierzchni Ziemi, jest w rzeczywistości światłem podczerwonym, z promieniowaniem widzialnym nie daleko w tyle (i ultrafioletowym odległą jedną trzecią).

Widok w podczerwieni obłoku gazu i pyłu wykonany przez Kosmiczny Teleskop Spitzera. Mgławica 'Pająk i Mucha' to obszar gwiazdotwórczy, a podczerwony obraz Spitzera pokazuje struktury w obłoku, na które oddziałuje gromada nowonarodzonych gwiazd. Kosmiczny Teleskop Spitzera/NASA

• Światło widzialne (optyczne) : Zakres długości fal światła widzialnego wynosi 380 nanometrów (nm) i 740 nm. Jest to promieniowanie elektromagnetyczne, które jesteśmy w stanie wykryć na własne oczy, wszystkie inne formy są dla nas niewidoczne bez pomocy elektronicznych. Światło widzialne jest w rzeczywistości tylko bardzo małą częścią widma elektromagnetycznego, dlatego ważne jest badanie wszystkich innych długości fal w astronomii, aby uzyskać pełny obraz wszechświat i zrozumieć fizyczne mechanizmy rządzące ciałami niebieskimi.
• Promieniowanie ciała doskonale czarnego : Ciało doskonale czarne to obiekt, który po podgrzaniu emituje promieniowanie elektromagnetyczne, szczytowa długość fali wytwarzanego światła będzie proporcjonalna do temperatury (jest to znane jako prawo Wiena). Nie ma czegoś takiego jak idealne ciało doskonale czarne, ale wiele obiektów, takich jak nasze Słońce, Ziemia i cewki na kuchence elektrycznej, to całkiem dobre przybliżenia.
• Promieniowanie cieplne : Ponieważ cząstki wewnątrz materiału poruszają się z powodu ich temperatury, wynikającą z tego energię kinetyczną można opisać jako całkowitą energię cieplną układu. W przypadku ciała doskonale czarnego (patrz wyżej) energia cieplna może zostać uwolniona z układu w postaci promieniowania elektromagnetycznego.

Promieniowanie, jak widzimy, jest jednym z podstawowych aspektów wszechświata. Bez niej nie mielibyśmy światła, ciepła, energii ani życia.

Edytowany przezCarolyn Collins Petersen.