Promieniowanie w kosmosie i astronomii

Astronomia to badanie obiektów we wszechświecie, które promieniują (lub odbijają) energię z całego spektrum elektromagnetycznego. Astronomowie badają promieniowanie ze wszystkich obiektów we wszechświecie. Przyjrzyjmy się bliżej formom promieniowania na zewnątrz.

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

Promieniowanie opisuje cząstki elementarne, jądra i fale elektromagnetyczne, które rozprzestrzeniają się w przestrzeni. Naukowcy zwykle odnoszą się do promieniowania na dwa sposoby: jonizujący i niejonizujący.

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

Niektóre formy promieniowania przenoszą energię wystarczającą do jonizacji różnych atomów lub cząsteczek. Mogą powodować znaczną szkodę dla podmiotów biologicznych, powodując raka lub inne znaczące problemy zdrowotne. Skala uszkodzeń spowodowanych promieniowaniem zależy od tego, ile promieniowania zostało pochłonięte przez organizm.

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

• Promienie gamma: Promienie gamma (zwykle oznaczone grecką literą γ) są formą promieniowania elektromagnetycznego. Reprezentują najwyższe energetyczne formy światła w wszechświat. Promienie gamma powstają w wyniku różnych procesów, od aktywności wewnątrz reaktorów jądrowych po tzw. Wybuchy gwiazdowe supernowe oraz wysoce energetyczne zdarzenia znane jako wybuchy promieniowania gamma. Ponieważ promienie gamma są promieniowaniem elektromagnetycznym, nie oddziałują one łatwo z atomami, chyba że nastąpi zderzenie czołowe. W takim przypadku promień gamma „rozpada się” na parę elektron-pozyton. Jeśli jednak promień gamma zostanie pochłonięty przez jednostkę biologiczną (np. Osobę), wówczas można wyrządzić znaczną szkodę, ponieważ zatrzymanie takiego promieniowania wymaga znacznej ilości energii. W tym sensie promienie gamma są prawdopodobnie najbardziej niebezpieczną formą promieniowania dla ludzi. Na szczęście, chociaż mogą przenikać do naszej atmosfery na kilka mil, zanim wejdą w interakcję z atomem, nasza atmosfera jest na tyle gruba, że ​​większość promieni gamma jest absorbowana, zanim dotrą do ziemi. Jednak astronauci w kosmosie nie mają przed nimi ochrony i ograniczają się do czasu, jaki mogą spędzić „na zewnątrz” statku kosmicznego lub stacji kosmicznej. Podczas gdy bardzo wysokie dawki promieniowania gamma mogą być śmiertelne, najbardziej prawdopodobny wynik wielokrotnych ekspozycji ponadprzeciętne dawki promieniowania gamma (takie jak na przykład astronauci) zwiększają ryzyko nowotwór. Jest to coś, co dokładnie badają eksperci nauk przyrodniczych w światowych agencjach kosmicznych.
• Promieniowanie rentgenowskie: promieniowanie rentgenowskie jest, podobnie jak promienie gamma, formą fal elektromagnetycznych (światło). Zazwyczaj są one podzielone na dwie klasy: miękkie promienie rentgenowskie (te o dłuższych długościach fal) i twarde promienie rentgenowskie (te o krótszych długościach fal). Im krótsza długość fali (tj trudniej rentgen), tym bardziej jest to niebezpieczne. Dlatego w obrazowaniu medycznym stosuje się promieniowanie rentgenowskie o niższej energii. Promieniowanie rentgenowskie zwykle jonizuje mniejsze atomy, podczas gdy większe atomy mogą absorbować promieniowanie, ponieważ mają większe przerwy w energii jonizacji. Właśnie dlatego aparaty rentgenowskie bardzo dobrze obrazują kości, takie jak kości (składają się z cięższych elementów), a słabo obrazują tkankę miękką (lżejsze elementy). Szacuje się, że stanowią to urządzenia rentgenowskie i inne urządzenia pochodne 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. Koncentrując się na procesie rozkładu alfa, który je tworzy, oto, co się dzieje: cząstka alfa jest wyrzucany z jądra macierzystego z bardzo dużą prędkością (a więc dużą energią), zwykle przekraczającą 5% z prędkość światła. Niektóre cząstki alfa przybywają na Ziemię w postaci promieniowanie kosmiczne i może osiągnąć prędkości przekraczające 10% prędkości światła. Generalnie jednak cząstki alfa oddziałują na bardzo małe odległości, więc tutaj na Ziemi promieniowanie cząstek alfa nie stanowi bezpośredniego zagrożenia dla życia. Jest po prostu pochłaniany przez naszą zewnętrzną atmosferę. Jednakże to jest niebezpieczeństwo dla astronautów.
• Cząsteczki beta: W wyniku rozpadu beta cząstki beta (zwykle opisywane grecką literą Β) są elektronami energetycznymi, które uciekają, gdy neutron rozpada się na proton, elektron i anty-neutrino. Te elektrony są bardziej energetyczne niż cząstki alfa, ale mniej niż wysokoenergetyczne promienie gamma. Zwykle cząsteczki beta nie mają wpływu na zdrowie ludzi, ponieważ można je łatwo osłonić. Sztucznie utworzone cząstki beta (jak w akceleratorach) mogą łatwiej penetrować skórę, ponieważ mają znacznie wyższą energię. Niektóre miejsca wykorzystują te wiązki cząstek do leczenia różnych rodzajów raka ze względu na ich zdolność do atakowania bardzo określonych regionów. Jednak guz musi znajdować się blisko powierzchni, aby nie uszkodzić znacznych ilości przeplatanej tkanki.
• Promieniowanie neutronowe: Neutrony o bardzo wysokiej energii powstają podczas procesów syntezy jądrowej lub rozszczepienia jądrowego. Następnie mogą zostać wchłonięte przez jądro atomowe, co powoduje przejście atomu w stan wzbudzony i może emitować promienie gamma. Fotony te pobudzą atomy wokół nich, tworząc reakcję łańcuchową, prowadzącą do tego, że obszar stanie się radioaktywny. Jest to jeden z głównych sposobów zranienia ludzi podczas pracy w pobliżu reaktorów jądrowych bez odpowiedniego sprzętu ochronnego.

Podczas gdy promieniowanie jonizujące (powyżej) zyskuje całą presję na to, że jest szkodliwe dla ludzi, promieniowanie niejonizujące może również mieć 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 ogrzewać materiał (a zatem i atomy) do wystarczająco wysokich temperatur, aby spowodować jonizację. Jednak proces ten uważa się za inny niż proces jonizacji kinetycznej lub fotonowej.

• Fale radiowe: Fale radiowe są najdłuższą formą promieniowania elektromagnetycznego (światło). Rozciągają się od 1 milimetra do 100 kilometrów. Ten zakres pokrywa się jednak z pasmem mikrofalowym (patrz poniżej). Fale radiowe są wytwarzane naturalnie przez aktywne galaktyki (szczególnie z okolic ich supermasywne czarne dziury), pulsary i w pozostałości po supernowej. Ale są one również tworzone sztucznie do celów transmisji radiowej i telewizyjnej.
• Kuchenki mikrofalowe: Określone jako długości fali światła od 1 milimetra do 1 metra (1000 milimetrów) mikrofale są czasami uważane za podzbiór fal radiowych. W rzeczywistości radioastronomia jest zasadniczo badaniem pasma mikrofalowego, ponieważ promieniowanie o większej długości fali jest bardzo trudne do wykrycia, ponieważ wymagałoby detektorów o ogromnych rozmiarach; stąd tylko kilka osób spogląda poza długość fali 1 metra. Mikrofale, choć niejonizujące, nadal mogą być niebezpieczne dla ludzi, ponieważ mogą przekazywać przedmiotowi dużą ilość energii cieplnej ze względu na 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 zajmujące długości fal od 0,74 mikrometra do 300 mikrometrów. (W jednym metrze znajduje się 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 przezwyciężenia; 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 przyrządy emitują światło podczerwone, zakłócając gromadzenie danych. Dlatego instrumenty są chłodzone za pomocą ciekłego helu, aby ograniczyć przedostawanie się zewnętrznych fotonów podczerwieni do detektora. Większość czego słońce emisje, które docierają na powierzchnię Ziemi, są w rzeczywistości światłem podczerwonym, a promieniowanie widzialne znajduje się niedaleko (a ultrafiolet odległej jednej trzeciej).

• 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 tak ważne jest zbadanie wszystkich innych długości fal w astronomii, aby uzyskać pełny obraz wszechświat i zrozumieć fizyczne mechanizmy rządzące ciałami niebieskimi.
• Promieniowanie ciała czarnego: Ciało czarne to obiekt, który emituje promieniowanie elektromagnetyczne po ogrzaniu, szczytowa długość fali wytwarzanego światła będzie proporcjonalna do temperatury (jest to znane jako prawo Wiednia). Nie ma czegoś takiego jak idealne ciało czarne, ale wiele obiektów, takich jak nasze Słońce, Ziemia i cewki na kuchence elektrycznej, jest całkiem dobrym przybliżeniem.
• Promieniowanie cieplne: Gdy cząstki wewnątrz materiału poruszają się z powodu ich temperatury, uzyskaną energię kinetyczną można opisać jako całkowitą energię cieplną układu. W przypadku obiektu będącego ciałem czarnym (patrz wyżej) energia cieplna może zostać uwolniona z układu w postaci promieniowania elektromagnetycznego.

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

Edytowany przez Carolyn Collins Petersen.