Radiația în spațiu dă indicii despre Univers

Astronomia este studiul obiectelor din univers care radiază (sau reflectă) energia din tot spectrul electromagnetic. Astronomii studiază radiațiile de la toate obiectele din univers. Haideți să aruncăm o privire aprofundată asupra formelor de radiații de acolo.

Opera de artă a unei planete orbitând pe un pulsar. Pulsarsul stele cu neutroni care se învârtesc foarte repede sunt miezurile moarte ale stelelor masive și se rotesc pe axele lor de multe ori de sute de ori în fiecare secundă. Ele radiază unde radio și în lumină optică. Mark Garlick / Science Photo Library (Getty Images)

Importanța pentru astronomie

Pentru a înțelege complet universul, oamenii de știință trebuie să-l privească pe întregul spectru electromagnetic. Aceasta include particulele cu energie mare, precum razele cosmice. Unele obiecte și procese sunt de fapt complet invizibile în anumite lungimi de undă (chiar optice), motiv pentru care astronomii le privesc în multe lungimi de undă. Ceva invizibil la o lungime de undă sau frecvență poate fi foarte strălucitor în altul și asta le spune oamenilor de știință ceva foarte important în acest sens.

Tipuri de radiații

Radiația descrie particule elementare, nuclee și unde electromagnetice în timp ce se propagă prin spațiu. Oamenii de știință se referă de obicei la radiații în două moduri: ionizant și neionizant.

Radiație ionizantă

Ionizarea este procesul prin care electronii sunt îndepărtați dintr-un atom. Acest lucru se întâmplă tot timpul în natură și necesită doar atomul să se ciocnească cu un foton sau o particulă cu suficientă energie pentru a excita alegerile. Când se întâmplă acest lucru, atomul nu își mai poate menține legătura cu particulele.

Anumite forme de radiație transportă suficientă energie pentru a ioniza diverși atomi sau molecule. Acestea pot provoca daune semnificative entităților biologice prin provocarea cancerului sau a altor probleme semnificative de sănătate. Măsura distrugerii radiației este o problemă a cât de multă radiație a fost absorbită de organism.

Spectrul electromagnetic arată ca funcție a frecvenței / lungimii de undă și a temperaturii. Observatorul de raze X Chandra

Pragul minim de energie necesar radiației pentru a fi considerat ionizant este de aproximativ 10 volți electroni (10 eV). Există mai multe forme de radiații care există în mod natural peste acest prag:

• Raze gamma: Razele gamma (de obicei desemnate de litera greacă γ) sunt o formă de radiație electromagnetică. Ele reprezintă cele mai înalte forme energetice ale luminii din univers. Razele gamma apar dintr-o varietate de procese, de la activitatea în interiorul reactoarelor nucleare până la explozii stelare numite supernove și evenimente extrem de energice cunoscute sub denumirea de bursters cu raze gamma. Deoarece razele gamma sunt radiații electromagnetice, acestea nu interacționează ușor cu atomii decât dacă are loc o coliziune frontală. În acest caz, raza gamma se va „descompune” într-o pereche electron-pozitron. Cu toate acestea, în cazul în care o rază gamma este absorbită de o entitate biologică (de exemplu, o persoană), atunci se poate face un rău semnificativ, deoarece necesită o cantitate considerabilă de energie pentru a opri radiația. În acest sens, razele gamma sunt poate cea mai periculoasă formă de radiație pentru om. Din fericire, în timp ce pot pătrunde câțiva kilometri în atmosfera noastră înainte de a interacționa cu un atom, atmosfera noastră este suficient de groasă încât majoritatea razelor gamma sunt absorbite înainte de a ajunge la pământ. Cu toate acestea, astronauții din spațiu nu au protecție față de aceștia și sunt limitați la timpul pe care îl pot petrece „în afara” unei nave spațiale sau a unei stații spațiale. Deși dozele foarte mari de radiații gamma pot fi fatale, rezultatul cel mai probabil la expuneri repetate la doze peste medie de raze gamma (cum ar fi cele experimentate de astronauți, de exemplu) este un risc crescut de cancer. Este un lucru pe care experții în științele vieții din agențiile spațiale din lume îl studiază îndeaproape.
• Razele X: razele X sunt, ca și razele gamma, o formă de unde electromagnetice (lumină). De obicei, sunt împărțite în două clase: radiografii moi (cele cu lungimi de undă mai lungi) și radiografii dure (cele cu lungimi de undă mai scurte). Cu cât este mai scurtă lungimea de undă (adică Mai tare radiografia) cu atât este mai periculos. Acesta este motivul pentru care radiografiile cu energie mai mică sunt utilizate în imagistica medicală. Razele X vor ioniza de obicei atomii mai mici, în timp ce atomii mai mari pot absorbi radiațiile, deoarece au lacune mai mari în energiile lor de ionizare. Acesta este motivul pentru care aparatele cu raze X vor imagina foarte bine lucrurile precum oasele (sunt compuse din elemente mai grele), în timp ce sunt imagini sărace ale țesuturilor moi (elemente mai ușoare). Se estimează că mașinile cu raze X și alte dispozitive derivate reprezintă între 35-50% din radiațiile ionizante experimentate de oamenii din Statele Unite..
• Particule alfa: O particulă alfa (desemnată cu litera greacă α) este formată din doi protoni și doi neutroni; exact aceeași compoziție ca un nucleu de heliu. Concentrându-ne pe procesul de degradare alfa care le creează, iată ce se întâmplă: particula alfa este evacuată din nucleul părinte cu viteză foarte mare (deci energie mare), de obicei cu peste 5% din viteza luminii. Unele particule alfa ajung pe Pământ sub formă de raze cosmice și pot atinge viteze care depășesc 10% din viteza luminii. În general, însă, particulele alfa interacționează pe distanțe foarte scurte, așa că aici, pe Pământ, radiațiile de particule alfa nu reprezintă o amenințare directă pentru viață. Este pur și simplu absorbit de atmosfera noastră exterioară. Cu toate acestea este un pericol pentru astronauți. 
• Particule beta: Rezultatul degradării beta, particulele beta (de obicei descrise de litera greacă Β) sunt electroni energetici care scapă atunci când un neutron se descompune într-un proton, electron și anti-neutrino. Acești electroni sunt mai energici decât particulele alfa, dar mai puțin decât razele gamma cu energie mare. În mod normal, particulele beta nu preocupă sănătatea umană, deoarece sunt protejate cu ușurință. Particulele beta create artificial (ca în acceleratoare) pot pătrunde mai ușor în piele, deoarece au o energie considerabil mai mare. Unele locuri folosesc aceste fascicule de particule pentru a trata diferite tipuri de cancer din cauza capacității lor de a viza regiuni foarte specifice. Cu toate acestea, tumora trebuie să fie aproape de suprafață pentru a nu deteriora cantități semnificative de țesut intersectat.
• Radiație neutronică: În timpul proceselor de fuziune nucleară sau fisiune nucleară se creează neutroni cu energie foarte mare. Acestea pot fi apoi absorbite de un nucleu atomic, determinând ca atomul să intre într-o stare excitată și poate emite raze gamma. Acești fotoni vor excita apoi atomii din jurul lor, creând o reacție în lanț, ceea ce duce la zona să devină radioactivă. Acesta este unul dintre principalele moduri în care oamenii sunt răniți în timp ce lucrează în jurul reactoarelor nucleare fără un echipament de protecție adecvat.

Radiație neionizantă

În timp ce radiațiile ionizante (de mai sus) primesc toată presa despre faptul că sunt dăunătoare oamenilor, radiațiile neionizante pot avea și efecte biologice semnificative. De exemplu, radiațiile neionizante pot provoca lucruri precum arsurile solare. Cu toate acestea, este ceea ce folosim pentru a găti mâncarea în cuptoare cu microunde. Radiația neionizantă poate veni de asemenea sub formă de radiații termice, care pot încălzi materialul (și, prin urmare, atomii) la temperaturi suficient de ridicate pentru a provoca ionizarea. Cu toate acestea, acest proces este considerat diferit de procesele de ionizare cinetică sau fotonică.

Arhiva foarte mare a Karl Jansky a telescoapelor radio se află în apropiere de Socorro, New Mexico. Acest tablou se concentrează pe emisiile radio provenite de la o varietate de obiecte și procese din cer. NRAO / AUI

• Unde radio: Undele radio sunt cea mai lungă formă de undă a radiației electromagnetice (lumină). Au o lungime de 1 milimetru până la 100 de kilometri. Totuși, acest interval se suprapune cu banda cu microunde (a se vedea mai jos). Undele radio sunt produse în mod natural de galaxii active (în special din zona din jurul găurilor negre supermasive), pulsars și resturi de supernove. Dar sunt de asemenea create artificial în scopul transmisiei radio și televiziunii.
• microundele: Definite ca lungimi de undă ale luminii cuprinse între 1 milimetru și 1 metru (1.000 de milimetri), microundele sunt uneori considerate a fi un subset de unde radio. De fapt, radioastronomia este, în general, studiul benzii cu microunde, deoarece radiațiile de lungime de undă mai lungă sunt foarte greu de detectat, deoarece ar necesita detectoare de dimensiuni imense; prin urmare, doar câțiva colegi dincolo de lungimea de undă de un metru. Deși nu sunt ionizante, microundele pot fi în continuare periculoase pentru oameni, deoarece pot oferi o cantitate mare de energie termică unui element datorită interacțiunilor sale cu vaporii de apă și apă. (Acesta este și motivul pentru care observatoarele cu microunde sunt plasate de obicei în locuri înalte și uscate de pe Pământ, pentru a reduce cantitatea de interferențe pe care vaporii de apă din atmosfera noastră le pot provoca experimentului.
• Radiatii infrarosii: Radiația infraroșie este banda de radiații electromagnetice care ocupă lungimi de undă cuprinse între 0,74 micrometri și până la 300 micrometri. (Există un milion de micrometri într-un metru.) Radiația infraroșie este foarte aproape de lumina optică și, prin urmare, sunt folosite tehnici foarte similare pentru studierea acesteia. Cu toate acestea, există unele dificultăți de depășit; și anume lumina infraroșie este produsă de obiecte comparabile cu „temperatura camerei”. Deoarece electronicele folosite pentru alimentarea și controlul telescoapelor cu infraroșu vor funcționa la astfel de temperaturi, instrumentele în sine vor emite lumină infraroșie, interferând cu achiziția de date. Prin urmare, instrumentele sunt răcite cu heliu lichid, pentru a reduce fotonii infraroșii străini de la intrarea în detector. Cea mai mare parte din ceea ce emite Soarele care ajunge la suprafața Pământului este de fapt lumină infraroșie, cu radiația vizibilă nu foarte în urmă (și ultraviolete o treime îndepărtată).

O viziune în infraroșu a unui nor de gaz și praf realizat de Spitzer Space Telescope. Nebula „Spider and Fly” este o regiune formatoare de stele, iar vederea infraroșu a lui Spitzer arată structuri din nor afectate de un grup de stele nou-născuți. Telescopul spațial Spitzer / NASA

• Lumină vizibilă (optică): Gama lungimilor de undă a luminii vizibile este de 380 nanometri (nm) și 740 nm. Aceasta este radiația electromagnetică pe care suntem capabili să o detectăm cu ochii noștri, toate celelalte forme sunt invizibile pentru noi fără ajutoare electronice. Lumina vizibilă este de fapt doar o parte foarte mică din spectrul electromagnetic, motiv pentru care este important să studiem toate celelalte lungimi de undă din astronomie ca să obținem o imagine completă a universului și să înțelegem mecanismele fizice care guvernează corpurile cerești..
• Radiație Blackbody: O persoană neagră este un obiect care emite radiații electromagnetice atunci când este încălzit, lungimea de undă maximă a luminii produse va fi proporțională cu temperatura (aceasta este cunoscută sub numele de Legea lui Wien). Nu există un om perfect, dar multe obiecte precum Soarele nostru, Pământul și bobinele de pe soba electrică sunt aproximări destul de bune..
• Radiație termala: Pe măsură ce particulele din interiorul unui material se mișcă datorită temperaturii lor, energia cinetică rezultată poate fi descrisă ca energia termică totală a sistemului. În cazul unui obiect negru (vezi mai sus), energia termică poate fi eliberată din sistem sub formă de radiații electromagnetice.

Radiația, după cum putem vedea, este unul dintre aspectele fundamentale ale universului. Fără ea, nu am avea lumină, căldură, energie sau viață.

Editat de Carolyn Collins Petersen.