Zračenje u svemiru i astronomiji

Astronomija je proučavanje objekata u svemiru koji zrače (ili odražavaju) energiju iz čitavog elektromagnetskog spektra. Astronomi proučavaju zračenje iz svih objekata u svemiru. Pogledajmo dublje oblike zračenja vani.

Da bi u potpunosti razumjeli svemir, znanstvenici ga moraju promatrati kroz cijeli elektromagnetski spektar. To uključuje čestice visoke energije poput kozmičkih zraka. Neki su predmeti i procesi zapravo potpuno nevidljivi u određenim valnim duljinama (čak i optičkim), zbog čega ih astronomi gledaju u mnogim valnim duljinama. Nešto nevidljivo na jednoj valnoj duljini ili frekvenciji može biti vrlo svijetlo u drugom, a to znanstvenicima govori o tome vrlo važnom.

Zračenje opisuje elementarne čestice, jezgre i elektromagnetske valove dok se šire kroz svemir. Znanstvenici uobičajeno referentno zrače na dva načina: ionizirajućim i neionizirajućim.

Ionizacija je proces kojim se elektroni uklanjaju iz atoma. To se događa u prirodi sve vrijeme, a traži se samo da se atom sudara s fotonom ili česticom s dovoljno energije da potakne izbore. Kad se to dogodi, atom više ne može održavati svoju vezu s česticom.

Određeni oblici zračenja nose dovoljno energije da ioniziraju različite atome ili molekule. Oni mogu nanijeti značajnu štetu biološkim entitetima uzrokujući rak ili druge značajne zdravstvene probleme. Stupanj oštećenja od zračenja ovisi o tome koliko je zračenja apsorbirao organizam.

Minimalni prag energija potrebna za zračenje smatra se ionizirajućom iznosi oko 10 elektronskih volti (10 eV). Postoji nekoliko oblika zračenja koji prirodno postoje iznad ovog praga:

• Gama-zrake: Gama zrake (obično označena grčkim slovom γ) oblik su elektromagnetskog zračenja. Oni predstavljaju najviše energetske oblike svjetla u svemir. Gama zrake nastaju iz različitih procesa, u rasponu od aktivnosti unutar nuklearnih reaktora do zvjezdanih eksplozija supernova i visokoenergetski događaji poznati kao gama-rasijači. Budući da su gama zrake elektromagnetsko zračenje, one lako ne stupaju u interakciju s atomima osim ako se ne dogodi čelni udar. U tom će slučaju gama zraka „propasti“ u par elektrona-pozitrona. Međutim, ako biološki subjekt (npr. Osoba) gama zraka apsorbira gama zraka, tada može biti učinjena značajna šteta jer je potrebna znatna količina energije za zaustavljanje takvog zračenja. U tom smislu gama zrake su možda najopasniji oblik zračenja za ljude. Srećom, iako mogu prodrijeti nekoliko kilometara u našu atmosferu prije nego što komuniciraju s atomom, naša je atmosfera dovoljno gusta da se većina gama zraka apsorbira prije nego što dođu do zemlje. Međutim, astronauti u svemiru nemaju zaštitu od njih i ograničeni su na vrijeme koje mogu provesti "izvan" svemirske letjelice ili svemirske stanice. Iako vrlo visoke doze gama zračenja mogu biti pogubne, najvjerojatniji ishod ponavljanim izlaganjem natprosječne doze gama-zraka (poput onih, na primjer, astronauta) je povećan rizik od Rak. To detaljno proučavaju stručnjaci za znanost o životu u svjetskim svemirskim agencijama.
• Rendgenski zraci: x-zrake su, poput gama zraka, oblik elektromagnetskih valova (svjetlost). Obično se raščlanjuju u dvije klase: meke rendgenske zrake (one s većom valnom duljinom) i tvrde x-zrake (one s kraćom valnom duljinom). Što je kraća valna duljina (tj teže rendgenski) opasniji je. Zbog toga se rentgenske zrake niže energije koriste u medicinskim slikama. X-zrake će obično ionizirati manje atome, dok veći atomi mogu apsorbirati zračenje jer imaju veće praznine u njihovim ionizacijskim energijama. Zbog toga će rendgenski aparati vrlo dobro slikati stvari poput kostiju (sastavljene su od težih elemenata) dok su loši snimci mekog tkiva (lakši elementi). Procjenjuje se da rentgenski strojevi i drugi izvedeni uređaji vode računa između 35-50% ionizirajućeg zračenja ljudi u Sjedinjenim Državama.
• Čestice alfa: Alfa čestica (označena grčkim slovom α) sastoji se od dva protona i dva neutrona; potpuno isti sastav kao jezgra helija. Usredotočenost na proces raspadanja alfa koja ih stvara, evo što se događa: alfa čestica je izbačeni iz matične jezgre vrlo velikom brzinom (dakle, velikom energijom), obično s više od 5% od brzina svjetlosti. Neke alfa čestice dolaze na Zemlju u obliku kozmičke zrake i mogu postići brzine veće od 10% brzine svjetlosti. Međutim, općenito, alfa čestice djeluju na vrlo kratkim udaljenostima, tako da ovdje na Zemlji zračenje čestica alfa nije izravna opasnost za život. Jednostavno ga apsorbira naša vanjska atmosfera. Međutim, to je opasnost za astronaute.
• Beta čestice: Rezultat beta propadanja, beta čestice (obično ih opisuje grčkim slovom Β) su energetski elektroni koji izbacuju kad neutron propadne u protone, elektrone i anti-neutrino. Ti su elektroni energičniji od alfa čestica, ali manje od gama zraka visoke energije. Normalno, beta čestice ne zabrinjavaju zdravlje ljudi, jer se lako štite. Umjetno stvorene beta čestice (poput akceleratora) mogu lakše prodirati kroz kožu jer imaju znatno veću energiju. Neka mjesta koriste ove zrake čestica za liječenje različitih vrsta karcinoma zbog njihove sposobnosti ciljanja na vrlo specifične regije. Međutim, tumor mora biti blizu površine kako ne bi oštetio značajne količine isprepletenog tkiva.
• Neutronsko zračenje: Vrlo visokoenergetski neutroni nastaju tijekom procesa nuklearne fuzije ili nuklearne fisije. Tada ih može apsorbirati atomska jezgra, uzrokujući da atom prijeđe u pobuđeno stanje i može emitirati gama-zrake. Ti će fotoni pobuditi atome oko sebe, stvarajući lančanu reakciju, vodeći do toga da područje postane radioaktivno. Ovo je jedan od osnovnih načina na koji su ljudi ozlijeđeni dok rade oko nuklearnih reaktora bez odgovarajuće zaštitne opreme.

Iako ionizirajuće zračenje (gore) stvara svu vijest o štetnosti za ljude, neionizirajuće zračenje može imati i značajne biološke učinke. Na primjer, neionizirajuće zračenje može uzrokovati stvari poput opeklina od sunca. Ipak, to je ono što koristimo za kuhanje hrane u mikrovalnim pećnicama. Neionizirajuće zračenje može doći i u obliku toplinskog zračenja, koje može zagrijati materijal (a time i atome) do dovoljno visokih temperatura da uzrokuje ionizaciju. Međutim, ovaj se postupak smatra drugačijim od procesa kinetičke ili fotonske ionizacije.

• Radio valovi: Radio valovi su oblik najdulje valne duljine elektromagnetskog zračenja (svjetlost). Oni se protežu od milimetra do 100 kilometara. Ovaj se raspon, međutim, preklapa s mikrovalnom vrpcom (vidi dolje). Radio valove prirodno proizvodi aktivne galaksije (posebno s područja oko njihovog supermasivne crne rupe), pulsari i u ostaci supernove. Ali oni su također stvoreni umjetno u svrhu prijenosa radija i televizije.
• mikrotalasi: Definirane kao valne duljine svjetlosti između 1 milimetara i 1 metra (1.000 milimetara), mikrotalasi se ponekad smatraju podskupinom radio valova. Zapravo je radio astronomija općenito proučavanje mikrovalnog pojasa, jer je zračenje duže valne duljine vrlo teško detektirati jer će zahtijevati detektore ogromne veličine; otuda samo nekoliko vršnjaka iznad valne duljine od 1 metra. Iako neionizirajuće, mikrovalne pećnice i dalje mogu biti opasne za ljude, jer mogu dati veliku količinu toplinske energije nekom predmetu zbog njegove interakcije s vodom i vodenom parom. (To je i razlog zašto se mikrovalne opservatorije postavljaju na visokim, suhim mjestima na Zemlji, kako bi se smanjila količina smetnji koje vodena para može stvoriti u našoj atmosferi.
• Infracrveno zračenje: Infracrveno zračenje je područje elektromagnetskog zračenja koje zauzima valne duljine između 0,74 mikrometra do 300 mikrometara. (U jednom metru postoji 1 milion mikrometara.) Infracrveno zračenje je vrlo blizu optičkoj svjetlosti, pa se za njegovo proučavanje koriste vrlo slične tehnike. Međutim, postoje neke poteškoće za prevladavanje; naime, infracrvena svjetlost proizvodi se predmeti usporedivi sa "sobnom temperaturom". Budući da će elektronika koja se koristi za napajanje i kontrolu infracrvenih teleskopa raditi na takvim temperaturama, sami će instrumenti ispuštati infracrveno svjetlo, ometajući prikupljanje podataka. Stoga se instrumenti hlade tekućim helijem, kako bi se smanjili ulazak vanjskih infracrvenih fotona u detektor. Većina onoga sunce emitira koja doseže Zemljinu površinu zapravo je infracrvena svjetlost, s vidljivim zračenjem nedaleko (a ultraljubičasto udaljena trećina).

• Vidljivo (optičko) svjetlo: Raspon valnih duljina vidljive svjetlosti je 380 nanometara (nm) i 740 nm. Ovo je elektromagnetsko zračenje koje smo u stanju otkriti vlastitim očima, svi drugi oblici su nam nevidljivi bez elektroničkih pomagala. Vidljiva svjetlost je zapravo samo vrlo mali dio elektromagnetskog spektra, zbog čega je važno proučiti sve ostale valne duljine u astronomiji kako biste dobili cjelovitu sliku svemir i razumjeti fizičke mehanizme koji upravljaju nebeskim tijelima.
• Zračenje crna tijela: Crno tijelo je objekt koji emitira elektromagnetsko zračenje kad se zagrijava, vršna valna duljina svjetlosti koja je proizvedena bit će proporcionalna temperaturi (ovo je poznato kao Wienov zakon). Ne postoji savršeno stanje crne boje, ali mnogi su predmeti poput našeg Sunca, Zemlje i zavojnica na vašem električnom štednjaku prilično dobra aproksimacija.
• Toplinsko zračenje: Kako se čestice unutar materijala kreću zbog svoje temperature, rezultirajuća kinetička energija može se opisati kao ukupna toplinska energija sustava. U slučaju predmeta crnih tijela (vidi gore), toplinska energija se može izbaciti iz sustava u obliku elektromagnetskog zračenja.

Zračenje, kao što vidimo, je jedan od temeljnih aspekata svemira. Bez njega ne bismo imali svjetlost, toplinu, energiju ili život.

Uredio Carolyn Collins Petersen.