Sevanje v vesolju in astronomiji

Astronomija je preučevanje predmetov v vesolju, ki sevajo (ali odsevajo) energijo iz elektromagnetnega spektra. Astronomi preučujejo sevanje iz vseh predmetov v vesolju. Poglejmo poglobljene oblike sevanja tam.

Za popolno razumevanje vesolja ga morajo znanstveniki pogledati po celotnem elektromagnetnem spektru. Sem spadajo visokoenergijski delci, kot so kozmični žarki. Nekateri predmeti in procesi so v določenih valovnih dolžinah (tudi optičnih) dejansko popolnoma nevidni, zato jih astronomi gledajo v številnih valovnih dolžinah. Nekaj ​​nevidnega na eni valovni dolžini ali frekvenci je lahko v drugem zelo svetlo, kar znanstvenikom sporoča nekaj zelo pomembnega.

Sevanje opisuje elementarne delce, jedra in elektromagnetne valove, ko se širijo po vesolju. Znanstveniki običajno sevanje napotijo ​​na dva načina: ionizirajoče in neionizirajoče.

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

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

Najnižji prag energije, potrebne za sevanje, ki se šteje za ionizirajoče znaša približno 10 elektronskih voltov (10 eV). Nad tem pragom naravno obstaja več oblik sevanja:

• Gama žarki: Gama žarki (ponavadi jih označuje grška črka γ) so oblika elektromagnetnega sevanja. Predstavljajo najvišje energetske oblike svetlobe v vesolje. Gama žarki se pojavljajo v različnih procesih, od aktivnosti znotraj jedrskih reaktorjev do zvezdnih eksplozij supernove in zelo energični dogodki, znani kot gama žarki. Ker so gama žarki elektromagnetno sevanje, z atomi ne delujejo zlahka, razen če pride do čelnega trka. V tem primeru gama žarek "razpade" v par elektronov-pozitronov. Če pa biološki subjekt (npr. Človek) absorbira gama žarek, potem lahko naredi znatno škodo, saj je za zaustavitev takega sevanja potrebno veliko energije. V tem smislu so gama žarki za človeka morda najbolj nevarna oblika sevanja. Na srečo, čeprav lahko prodrejo nekaj milj v naše ozračje, preden posežejo z atomom, je naše ozračje dovolj gosto, da se večina gama žarkov absorbira, preden pridejo do tal. Vendar astronavti v vesolju nimajo zaščite pred njimi in so omejeni na količino časa, ki ga lahko preživijo "zunaj" vesoljskega plovila ali vesoljske postaje. Čeprav so zelo visoki odmerki gama sevanja lahko usodni, je najverjetnejši rezultat ponavljajoča se izpostavljenost nadpovprečni odmerki gama-žarkov (kot na primer tisti, ki jih doživljajo astronavti) je večje tveganje raka. To strokovnjaki znanosti o življenju v svetovnih vesoljskih agencijah natančno preučujejo.
• X-žarki: x-žarki so kot gama žarki oblika elektromagnetnih valov (svetloba). Običajno jih razdelimo na dva razreda: mehke rentgenske žarke (tiste z daljšo valovno dolžino) in trde rentgenske žarke (tiste s krajšimi valovnimi dolžinami). Čim krajša je valovna dolžina (t.i. težje rentgen) bolj nevarna je. Zaradi tega se pri medicinskem slikanju uporabljajo nižji energijski rentgenski žarki. Rentgenski žarki običajno ionizirajo manjše atome, medtem ko večji atomi lahko absorbirajo sevanje, saj imajo večje ionizirajoče se ionizacijske energije. Zato bodo rentgenski aparati zelo dobro upodabljali stvari kot kosti (sestavljene so iz težjih elementov), ​​medtem ko so slabi posnetki mehkega tkiva (lažji elementi). Ocenjujejo, da predstavljajo rentgenski aparati in druge izpeljane naprave med 35-50% ionizirajočega sevanja, ki so ga doživljali ljudje v ZDA.
• Delci alfa: Delček alfa (označen z grško črko α) sestavljata dva protona in dva nevtrona; popolnoma enaka sestava kot helijevo jedro. Če se osredotočimo na proces razpadanja alfa, ki jih ustvari, se zgodi, kaj se zgodi: alfa delec je izpuščeni iz matičnega jedra z zelo veliko hitrostjo (torej z visoko energijo), običajno z več kot 5% od hitrost svetlobe. Nekateri alfa delci prihajajo na Zemljo v obliki kozmični žarki in lahko dosežejo hitrost, ki presega 10% hitrosti svetlobe. Na splošno pa alfa delci delujejo na zelo kratkih razdaljah, zato na Zemlji sevanje alfa delcev ne predstavlja neposredne nevarnosti za življenje. Preprosto ga absorbira naše zunanje ozračje. Vendar pa je je nevarnost za astronavte.
• Beta delci: Rezultat razpada beta so beta delci (ponavadi jih opisuje grška črka Β) energijski elektroni, ki uidejo, ko nevton razpade v proton, elektron in anti-nevtrino. Ti elektroni so bolj energijski kot alfa delci, vendar manj kot visoko energijski gama žarki. Običajno beta delci ne skrbijo za zdravje ljudi, saj jih je enostavno zaščititi. Umetno ustvarjeni delci beta (kot pri pospeševalcih) lahko lažje prodrejo v kožo, saj imajo znatno večjo energijo. Nekateri kraji uporabljajo te delce za zdravljenje različnih vrst raka, ker lahko ciljajo na zelo specifične regije. Vendar mora biti tumor blizu površine, da ne poškoduje pomembnih količin prepletenega tkiva.
• Nevtronsko sevanje: Med jedrsko fuzijo ali jedrsko cepitvijo nastajajo zelo visokoenergijski nevtroni. Nato jih lahko absorbira atomsko jedro, zaradi česar atom preide v vznemirjeno stanje in lahko oddaja gama žarke. Ti fotoni bodo nato vzbudili atome okrog njih in ustvarili verižno reakcijo, kar bo vodilo do tega, da območje postane radioaktivno. To je eden glavnih načinov, kako se ljudje poškodujejo med delom okoli jedrskih reaktorjev brez ustreznega zaščitnega orodja.

Medtem ko ionizirajoče sevanje (zgoraj) povzroča škodo za človeka, ima lahko neionizirajoče sevanje tudi pomembne biološke učinke. Na primer, neionizirajoče sevanje lahko povzroči stvari, kot so sončne opekline. Pa vendar, to je tisto, kar uporabljamo za kuhanje hrane v mikrovalovnih pečicah. Neionizirajoče sevanje lahko pride tudi v obliki toplotnega sevanja, ki lahko segreje material (in s tem atome) na dovolj visoke temperature, da povzročijo ionizacijo. Vendar pa se ta postopek šteje drugače kot kinetični ali fotonski ionizacijski postopki.

• Radio valovi: Radio valovi so oblika elektromagnetnega sevanja (svetloba) z najdaljšo valovno dolžino. Raztezajo se od 1 milimetra do 100 kilometrov. Ta razpon pa se prekriva z mikrovalovnim pasom (glej spodaj). Radijske valove naravni proizvaja aktivne galaksije (natančneje z območja okoli njih supermasivne črne luknje), pulsarji in v ostanki supernove. So pa ustvarjene tudi umetno za namene radijskega in televizijskega prenosa.
• Mikrovalovne pečice: Opredeljene kot valovne dolžine svetlobe med 1 milimetrom in 1 metrom (1.000 milimetrov), se mikrovalovne pečice včasih štejejo za podmnožico radijskih valov. Pravzaprav je radioastronomija na splošno raziskava mikrovalovnega pasu, saj je obsevanje daljše valovne dolžine zelo težko zaznati, saj bi potrebovali detektorje ogromne velikosti; torej le nekaj vrstnikov, ki presegajo 1-metrsko valovno dolžino. Medtem ko so neionizirne, so mikrovalovne pečice še vedno nevarne za ljudi, saj lahko zaradi interakcij z vodo in vodno paro izdelku oddajo veliko količino toplotne energije. (Zato tudi mikrovalovne opazovalnice običajno postavljamo na visoke, suhe kraje na Zemlji, da bi zmanjšali količino motenj, ki jih vodna para v naši atmosferi 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 optične svetlobe, zato se za njegovo preučevanje uporabljajo zelo podobne tehnike. Vendar pa je nekaj težav premagati; in sicer infrardečo svetlobo proizvajajo predmeti, primerljivi s "sobno temperaturo". Ker bo elektronika, ki se uporablja za napajanje in nadzor infrardečih teleskopov, delovala pri takih temperaturah, bodo instrumenti sami oddajali infrardečo svetlobo, kar bo motilo pridobivanje podatkov. Zato se instrumenti hladijo s tekočim helijem, da se prepreči vstop zunanjih infrardečih fotonov v detektor. Večino tega sonce oddaja, ki doseže Zemljino površino, je pravzaprav infrardeča svetloba, vidno sevanje pa ni daleč za seboj (in ultravijolično oddaljena tretjina).

• Vidna (optična) svetloba: Obseg valovnih dolžin vidne svetlobe je 380 nanometrov (nm) in 740 nm. To je elektromagnetno sevanje, ki ga lahko zaznamo s svojimi očmi, vse druge oblike so nam nevidne brez elektronskih pripomočkov. Vidna svetloba je pravzaprav le majhen del elektromagnetnega spektra, zato je pomembno, da se v astronomiji preučijo 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 segreva, največja valovna dolžina svetlobe, ki nastane, bo sorazmerna s temperaturo (to je znano kot Wienov zakon). Popolnega črnega telesa ni, a mnogi predmeti, kot je naše Sonce, Zemlja in tuljave na vašem električnem štedilniku, so dober približek.
• Toplotno sevanje: Ko se delci znotraj materiala gibljejo zaradi njihove temperature, lahko nastalo kinetično energijo opišemo kot skupno toplotno energijo sistema. V primeru črnega telesa (glej zgoraj) se lahko toplotna energija iz sistema sprosti v obliki elektromagnetnega sevanja.

Sevanje je, kot vidimo, eden temeljnih vidikov vesolja. Brez nje ne bi imeli svetlobe, toplote, energije ali življenja.

Uredil Carolyn Collins Petersen.