Sevanje v vesolju daje namige o vesolju

Vzorec teleskopov (deluje od februarja 2013) na valovnih dolžinah v celotnem elektromagnetnem spektru. Več teh observatorijev opazuje več kot en pas spektra EM. NASA

Astronomija preučuje predmete v vesolju, ki sevajo (ali odbijajo) energijo iz vsega elektromagnetnega spektra. Astronomi preučujejo sevanje vseh predmetov v vesolju. Oglejmo si poglobljeno oblike sevanja tam zunaj.

Umetnina planeta, ki kroži okoli pulsarja. Pulzarji so zelo hitro vrteče se nevtronske zvezde, ki so mrtva jedra masivnih zvezd in se vrtijo okoli svojih osi pogosto več stokrat vsako sekundo. Sevajo radijske valove in optično svetlobo. Mark Garlick/Science Photo Library (Getty Images)

Pomen za astronomijo

Da bi popolnoma razumeli vesolje, ga morajo znanstveniki pogledati v celotnem elektromagnetnem spektru. To vključuje visokoenergijske delce, kot so kozmični žarki. Nekateri predmeti in procesi so v določenih valovnih dolžinah (tudi optičnih) pravzaprav popolnoma nevidni, zato jih astronomi gledajo na več valovnih dolžinah. Nekaj ​​nevidnega pri eni valovni dolžini ali frekvenci je lahko zelo svetlo pri drugi, kar znanstvenikom pove nekaj zelo pomembnega o tem.

Vrste sevanja

Sevanje opisuje osnovne delce, jedra in elektromagnetne valove, ko se širijo skozi prostor. Znanstveniki običajno omenjajo sevanje na dva načina: ionizirajoče in neionizirajoče.

Ionizirajoče sevanje

Ionizacija je proces, s katerim se elektroni odstranijo iz atoma. To se v naravi dogaja ves čas in le zahteva, da atom trči s fotonom ali delcem z dovolj energije, da vzbudi volitve. Ko se to zgodi, atom ne more več ohraniti svoje vezi z delcem.

Določene oblike sevanja nosijo dovolj energije za ionizacijo različnih atomov ali molekul. Biološkim entitetam lahko povzročijo znatno škodo, tako da povzročijo raka ali druge pomembne zdravstvene težave. Obseg poškodb zaradi sevanja je odvisen od tega, koliko sevanja je organizem absorbiral.

Elektromagnetni spekter je prikazan kot funkcija frekvence/valovne dolžine in temperature. Rentgenski observatorij Chandra

Najnižji prag energije, ki je potrebna, da se sevanje šteje za ionizirajoče je približno 10 elektronvoltov (10 eV). Obstaja več oblik sevanja, ki naravno obstajajo nad tem pragom:

• Gama žarki : Gama žarki (običajno označeni z grško črko γ) so oblika elektromagnetnega sevanja. Predstavljajo najvišje energijske oblike svetlobe v vesolje . Žarki gama nastanejo zaradi različnih procesov, od dejavnosti v jedrskih reaktorjih do zvezdnih eksplozij, imenovanih supernove in visokoenergetski dogodki, znani kot izbruhi sevanja gama. Ker so žarki gama elektromagnetno sevanje, ne pridejo v interakcijo z atomi, razen če pride do čelnega trka. V tem primeru bo žarek gama 'razpadel' v par elektron-pozitron. Če pa gama žarek absorbira biološka entiteta (npr. oseba), lahko povzroči veliko škodo, saj je za zaustavitev takšnega sevanja potrebna precejšnja količina energije. V tem smislu so žarki gama morda najbolj nevarna oblika sevanja za človeka. Na srečo, čeprav lahko prodrejo več milj v našo atmosfero, preden pridejo v interakcijo z atomom, je naša atmosfera dovolj gosta, da se večina žarkov gama absorbira, preden dosežejo tla. Vendar pa astronavti v vesolju nimajo zaščite pred njimi in so omejeni na čas, ki ga lahko preživijo 'zunaj' vesoljskega plovila ali vesoljske postaje. Čeprav so lahko zelo visoki odmerki sevanja gama usodni, je najverjetnejši rezultat ponavljajoče se izpostavljenosti nadpovprečnim odmerkom sevanja gama (kot so na primer tisti, ki jih izkusijo astronavti) povečano tveganje za raka. To je nekaj, kar pozorno preučujejo strokovnjaki za znanost o življenju v svetovnih vesoljskih agencijah.
rentgenski žarki: rentgenski žarki so, tako kot žarki gama, oblika elektromagnetnega valovanja (svetlobe). Običajno so razdeljeni v dva razreda: mehki rentgenski žarki (tisti z daljšimi valovnimi dolžinami) in trdi rentgenski žarki (tisti s krajšimi valovnimi dolžinami). Čim krajša je valovna dolžina (tj težje rentgen), bolj je nevaren. Zato se pri medicinskem slikanju uporabljajo rentgenski žarki z nižjo energijo. Rentgenski žarki običajno ionizirajo manjše atome, medtem ko lahko večji atomi absorbirajo sevanje, saj imajo večje vrzeli v svojih ionizacijskih energijah. Zato bodo rentgenski aparati zelo dobro slikali stvari, kot so kosti (sestavljene so iz težjih elementov), ​​medtem ko so slabi posnetki mehkega tkiva (lažji elementi). Ocenjuje se, da rentgenski aparati in druge izpeljane naprave predstavljajo med 35-50% ionizirajočega sevanja, ki ga doživljajo ljudje v Združenih državah. Alfa delci: Delec alfa (označen z grško črko α) je sestavljen iz dveh protonov in dveh nevtronov; popolnoma enako sestavo kot jedro helija. Če se osredotočimo na proces razpada alfa, ki jih ustvari, se zgodi naslednje: delec alfa se izvrže iz matičnega jedra z zelo veliko hitrostjo (torej visoko energijo), običajno več kot 5 % od hitrost svetlobe . Nekateri delci alfa pridejo na Zemljo v obliki kozmični žarki in lahko doseže hitrosti, ki presegajo 10 % svetlobne hitrosti. Na splošno pa delci alfa medsebojno delujejo na zelo kratkih razdaljah, zato tukaj na Zemlji sevanje delcev alfa ni neposredna nevarnost za življenje. Naša zunanja atmosfera ga preprosto absorbira. Vendar pa je je nevarnost za astronavte. Beta delci: Rezultat beta razpada so delci beta (običajno opisani z grško črko Β) energični elektroni, ki uidejo, ko nevtron razpade na proton, elektron in anti- nevtrino . Ti elektroni so bolj energični kot alfa delci, vendar manj kot visokoenergijski gama žarki. Običajno beta delci ne predstavljajo nevarnosti za zdravje ljudi, saj jih je zlahka zaščititi. Umetno ustvarjeni delci beta (kot v pospeševalnikih) lažje prodrejo v kožo, saj imajo bistveno večjo energijo. Ponekod te žarke delcev uporabljajo za zdravljenje različnih vrst raka zaradi njihove sposobnosti ciljanja na zelo specifične regije. Vendar pa mora biti tumor blizu površine, da ne poškoduje znatnih količin razpršenega tkiva.
• Nevtronsko sevanje : Med procesi jedrske fuzije ali jedrske cepitve nastanejo zelo visokoenergijski nevtroni. Nato jih lahko absorbira atomsko jedro, kar povzroči, da atom preide v vzbujeno stanje in lahko oddaja žarke gama. Ti fotoni bodo nato vzbudili atome okoli sebe in ustvarili verižno reakcijo, ki vodi do tega, da območje postane radioaktivno. To je eden od glavnih načinov, kako se ljudje poškodujejo med delom okoli jedrskih reaktorjev brez ustrezne zaščitne opreme.

Neionizirajoče sevanje

Medtem ko ionizirajoče sevanje (zgoraj) dobi ves tisk o tem, da je škodljivo za ljudi, ima lahko neionizirajoče sevanje tudi pomembne biološke učinke. Na primer, neionizirajoče sevanje lahko povzroči stvari, kot so sončne opekline. Vendar pa je tisto, kar uporabljamo za kuhanje hrane v mikrovalovnih pečicah. Neionizirajoče sevanje je lahko tudi v obliki toplotnega sevanja, ki lahko segreje material (in s tem atome) na dovolj visoke temperature, da povzroči ionizacijo. Vendar se ta proces razlikuje od kinetičnih ali fotonskih ionizacijskih procesov.

Karl Jansky Very Large Array radijskih teleskopov se nahaja blizu Socorra v Novi Mehiki. Ta niz se osredotoča na radijske emisije različnih predmetov in procesov na nebu. NRAO/AUI

• Radijski valovi : Radijski valovi so oblika elektromagnetnega sevanja (svetlobe) z najdaljšo valovno dolžino. Njihov razpon je od 1 milimetra do 100 kilometrov. To območje pa se prekriva z mikrovalovnim pasom (glejte spodaj). Radijski valovi nastajajo naravnoaktivnih galaksij(posebej iz okolice njihovega supermasivne črne luknje ), pulzarji in v ostanki supernove . Ustvarjeni pa so tudi umetno za namene radijskega in televizijskega prenosa.
• Mikrovalovi : mikrovalovne pečice, opredeljene kot valovne dolžine svetlobe med 1 milimetrom in 1 metrom (1000 milimetrov), včasih veljajo za podmnožico radijskih valov. Pravzaprav je radioastronomija na splošno preučevanje mikrovalovnega pasu, saj je sevanje z daljšo valovno dolžino zelo težko zaznati, saj bi potrebovali detektorje ogromne velikosti; zato jih le nekaj preseže valovno dolžino enega metra. Čeprav mikrovalovne pečice ne ionizirajo, so lahko še vedno nevarne za ljudi, saj lahko zaradi medsebojnega delovanja z vodo in vodno paro predmetu prenesejo veliko količino toplotne energije. (To je tudi razlog, zakaj so mikrovalovni observatoriji običajno nameščeni na visokih, suhih mestih na Zemlji, da se zmanjša količina motenj, ki jih vodna para v našem ozračju lahko povzroči poskusu.
• Infrardeče sevanje : Infrardeče sevanje je pas elektromagnetnega sevanja, ki zavzema valovne dolžine med 0,74 mikrometra do 300 mikrometrov. (V enem metru je 1 milijon mikrometrov.) Infrardeče sevanje je zelo blizu optični svetlobi, zato se za njegovo preučevanje uporabljajo zelo podobne tehnike. Vendar je treba premagati nekaj težav; infrardečo svetlobo namreč proizvajajo predmeti, primerljivi s 'sobno temperaturo'. Ker bo elektronika, ki se uporablja za napajanje in krmiljenje infrardečih teleskopov, delovala pri takih temperaturah, bodo instrumenti sami oddajali infrardečo svetlobo, kar bo motilo pridobivanje podatkov. Zato so instrumenti hlajeni s tekočim helijem, da se zmanjša vstop tujih infrardečih fotonov v detektor. Večino česa sonce sevanje, ki doseže zemeljsko površje, je pravzaprav infrardeča svetloba, pri čemer vidno sevanje ne zaostaja veliko (in ultravijolično v daljni tretjini).

Infrardeči pogled na oblak plina in prahu, ki ga je naredil vesoljski teleskop Spitzer. Meglica 'Pajek in muha' je območje nastajanja zvezd in Spitzerjev infrardeči pogled prikazuje strukture v oblaku, na katere vpliva kopica novorojenih zvezd. Vesoljski teleskop Spitzer/NASA

• Vidna (optična) svetloba : Razpon valovnih dolžin vidne svetlobe je 380 nanometrov (nm) in 740 nm. To je elektromagnetno sevanje, ki ga lahko zaznamo z lastnimi očmi, vse ostale oblike pa so nam brez elektronskih pripomočkov nevidne. Vidna svetloba je pravzaprav le zelo majhen del elektromagnetnega spektra, zato je pomembno, da v astronomiji preučujemo vse druge valovne dolžine, da dobimo popolno sliko o vesolje in razumeti fizične mehanizme, ki upravljajo nebesna telesa.
• Sevanje črnega telesa : Črno telo je predmet, ki oddaja elektromagnetno sevanje, ko se segreje, najvišja valovna dolžina proizvedene svetlobe bo sorazmerna s temperaturo (to je znano kot Wienov zakon). Popolnega črnega telesa ni, vendar so številni predmeti, kot so naše Sonce, Zemlja in tuljave na vašem električnem štedilniku, precej dobri približki.
• Toplotno sevanje : Ker se delci v materialu premikajo zaradi svoje temperature, lahko nastalo kinetično energijo opišemo kot celotno toplotno energijo sistema. V primeru črnega telesa (glej zgoraj) se lahko toplotna energija sprosti iz sistema v obliki elektromagnetnega sevanja.

Kot lahko vidimo, je sevanje eden temeljnih vidikov vesolja. Brez njega ne bi imeli svetlobe, toplote, energije ali življenja.

UredilCarolyn Collins Petersen.