Sugárzás az űrben és a csillagászatban

A csillagászat az univerzumban lévő tárgyak tanulmányozása, amelyek az elektromágneses spektrum egészéből sugároznak (vagy tükröznek) energiát. A csillagászok az univerzum összes tárgyának sugárzását tanulmányozzák. Vessen egy pillantást a sugárzás formáira.

A világegyetem teljes megértése érdekében a tudósoknak a teljes elektromágneses spektrumon át kell nézniük. Ide tartoznak a nagy energiájú részecskék, például a kozmikus sugarak. Egyes tárgyak és folyamatok bizonyos hullámhosszon (akár optikailag is) teljesen láthatatlanok, ezért a csillagászok sok hullámhosszon néznek rájuk. Valami, amely az egyik hullámhosszon vagy frekvencián láthatatlan, a másikban nagyon fényes lehet, és ez a tudósoknak nagyon fontos dolgot mond belőle.

A sugárzás az űrben átterjedő elemi részecskéket, magokat és elektromágneses hullámokat írja le. A tudósok általában kétféle módon hivatkoznak a sugárzásra: ionizáló és nem ionizáló.

Az ionizáció az az eljárás, amely során az elektronokat eltávolítják egy atomról. Ez a természetben állandóan megtörténik, és csupán azt igényli, hogy az atom összefonódjon egy fotonnal vagy egy részecskével, amelynek elegendő energiája van a választások (ok) gerjesztéséhez. Amikor ez megtörténik, az atom már nem tudja fenntartani a kötődését a részecskéhez.

A sugárzás bizonyos formái elegendő energiát hordoznak a különböző atomok vagy molekulák ionizálásához. Rákot vagy más jelentős egészségügyi problémát okozva jelentős károkat okozhatnak a biológiai szervezeteknek. A sugárterhelés mértéke annak függvénye, hogy mennyi sugárzást vett fel a szervezet.

A minimális küszöb a sugárzás ionizálónak tekintendő energiája körülbelül 10 elektronvolt (10 eV). A sugárzásnak számos olyan formája létezik, amelyek természetesen léteznek ezen küszöb felett:

• Gamma sugarak: Gamma sugarak (amelyeket általában a görög γ betű jelöl) az elektromágneses sugárzás egyik formája. Ezek képviselik a fény legnagyobb energiaformáit az Univerzum. A gammasugarak különféle folyamatokban fordulnak elő, kezdve a nukleáris reaktorokban zajló aktivitástól az úgynevezett csillagrobbanásokig szupernóvák és a nagyon energiás események, amelyeket gamma-sugárzó betörő néven ismertek. Mivel a gammasugarak elektromágneses sugárzások, csak akkor lépnek kölcsönhatásba az atomokkal, ha fejbe ütközés történik. Ebben az esetben a gammasugár "lebomlik" egy elektron-pozitron párvá. Ha azonban a gamma-sugárzást elnyeli egy biológiai egység (például egy személy), akkor jelentős károkat okozhat, mivel jelentős mennyiségű energia szükséges az ilyen sugárzás megállításához. Ebben az értelemben a gamma-sugarak talán a legveszélyesebb sugárzás az emberek számára. Szerencsére, miközben több mérföldre áthatolhatnak a légkörünkbe, mielőtt egy atommal kölcsönhatásba lépnek, légkörünk elég sűrű, hogy a legtöbb gamma-sugarat felszívja, még mielőtt a földre jutnának. Az űrben lévő űrhajósok azonban nem védik őket, és arra korlátozódnak, hogy az űrhajók vagy űrállomások "kívül" tudnak-e tölteni az időt. Noha a nagyon magas gamma-sugárzás dózis halálos lehet, a legvalószínűbb eredmény az ismételt expozíció a gamma-sugarak átlag feletti dózisai (mint például az űrhajósok által tapasztalt) megnövekedett kockázatot jelentenek rák. Ezt a világ űrügynökségeinek élettudományi szakértői szorosan tanulmányozzák.
• Röntgensugarak: A röntgen, akárcsak a gammasugár, az elektromágneses hullámok (fény) formája. Általában két osztályba sorolhatók: lágy röntgen (a hosszabb hullámhosszúak) és a kemény röntgen (a rövidebb hullámhosszúak). Minél rövidebb a hullámhossz (azaz a nehezebb a röntgen) annál veszélyesebb. Ezért használnak alacsonyabb energiájú röntgenfelvételeket az orvosi képalkotásban. A röntgenfelvételek általában kisebb atomokat ionizálnak, míg a nagyobb atomok képesek elnyelni a sugárzást, mivel ionizációs energiájukban nagyobb rések vannak. Ez az oka annak, hogy a röntgengép nagyon jól ábrázolja a csontokat, például a csontokat (nehezebb elemekből állnak), miközben a lágy szövetek (könnyebb elemek) rossz képképezői. A becslések szerint a röntgengépek és más származékos eszközök teszik ki a felelősséget 35-50% között az ionizáló sugárzásnak, amelyet az Egyesült Államokban élnek emberek.
• Alfa részecskék: Az alfa részecske (görög α betűvel jelölve) két protonból és két neutronból áll; pontosan ugyanolyan összetételű, mint a héliummag. Összpontosítva azokat az alfa-bomlási folyamatokat, amelyek ezeket létrehozzák, a következő történik: az alfa-részecske az alapmagról nagyon nagy sebességgel (tehát nagy energiájú), általában 5% -nál nagyobb mértékben ürül ki a fénysebesség. Néhány alfa-részecske a Földön érkezik kozmikus sugarak és elérheti a fénysebesség 10% -át meghaladó sebességeket. Általában azonban az alfa-részecskék nagyon kis távolságra lépnek kölcsönhatásba, tehát a Földön az alfa-részecske-sugárzás nem jelent közvetlen veszélyt az életre. Ezt egyszerűen felszívja a külső légkör. Ennek ellenére jelentése veszélyt jelent az űrhajósok számára.
• Béta részecskék: A béta-bomlás eredményeként a béta-részecskék (amelyeket általában a görög letter betű ír le) energikus elektronok, amelyek elmenekülnek, amikor egy neutron proton-, elektron- és anti-neutrino. Ezek az elektronok energikusabbak, mint az alfa-részecskék, de kevésbé, mint a nagy energiájú gammasugarak. A béta-részecskék általában nem érintik az emberi egészséget, mivel könnyen árnyékolva vannak. A mesterségesen létrehozott béta-részecskék (mint a gyorsítókban) könnyebben behatolhatnak a bőrbe, mivel ezeknek az energiája lényegesen nagyobb. Egyes helyeken ezeket a részecskenyalábot különféle rákok kezelésére használják, mivel képesek nagyon specifikus régiókat megcélozni. A daganatnak azonban a felület közelében kell lennie, hogy ne károsítson jelentős mennyiségű átlapolt szövetet.
• Semleges sugárzás: Nagyon nagy energiájú neutronok alakulnak ki a magfúziós vagy a maghasadási folyamatok során. Ezután egy atommag abszorbeálhatja őket, ezáltal az atom gerjesztett állapotba kerül, és gamma-sugárzást bocsát ki. Ezek a fotonok ezután gerjesztik az atomokat körülöttük, és láncreakciót hoznak létre, és a terület radioaktívvá válik. Ez az egyik elsődleges módja annak, hogy az emberek megsérüljenek, miközben nukleáris reaktorok körül dolgoznak, megfelelő védőberendezés nélkül.

Míg az ionizáló sugárzás (fentebb) az összes sajtót azért károsítja az emberekre, a nemionizáló sugárzásnak szintén jelentős biológiai hatásai lehetnek. Például a nemionizáló sugárzás olyan tényezőket okozhat, mint a napégés. Ennek ellenére mikrohullámú sütőben főzzük ételt. A nemionizáló sugárzás termikus sugárzás formájában is megjelenhet, amely az anyagot (és így az atomokat) olyan magas hőmérsékletre hevíti fel, hogy ionizációt okozjon. Ez a folyamat azonban különbözik a kinetikai vagy fotonionizációs folyamatoktól.

• Rádióhullámok: A rádióhullámok az elektromágneses sugárzás (fény) leghosszabb hullámhosszú formája. 1 mm-től 100 kilométerig terjednek. Ez a tartomány azonban átfedésben van a mikrohullámú sávval (lásd alább). A rádióhullámokat természetesen a aktív galaxisok (kifejezetten a szupermasszív fekete lyukak), pulzárok és be szupernóva maradványok. De mesterségesen készülnek rádió- és televízió-közvetítés céljából is.
• Mikrohullámok: Az 1 és 1 méter (1000 milliméter) közötti fény hullámhosszaként definiálva a mikrohullámokat néha a rádióhullámok részhalmazának tekintik. Valójában a rádiócsillagászat általában a mikrohullámú sáv tanulmányozása, mivel a hosszabb hullámhosszú sugárzást nagyon nehéz felismerni, mivel hatalmas méretű detektorokra lenne szükség; ennélfogva csak néhány társ jelenik meg az 1 méteres hullámhosszon. Miközben nem ionizálnak, a mikrohullámok továbbra is veszélyesek lehetnek az emberekre, mivel nagy mennyiségű hőenergiát bocsátanak ki egy tárgyhoz, mivel kölcsönhatásba lépnek a vízzel és a vízgőzzel. (Ez az oka annak is, hogy a mikrohullámú obszervatóriumokat általában magas, száraz helyekre helyezik a Földön, hogy csökkentsék azoknak a zavaroknak a mértékét, amelyeket a légköri vízgőzök okozhatnak a kísérletben).
• Infravörös sugárzás: Az infravörös sugárzás az elektromágneses sugárzás sávja, melynek hullámhossza 0,74 mikrométer és 300 mikrométer között van. (Egymillió mikrométer van egy méterben.) Az infravörös sugárzás nagyon közel van az optikai fényhez, ezért ennek vizsgálatához nagyon hasonló technikákat alkalmaznak. Van azonban néhány nehézség, amelyet le kell küzdeni; nevezetesen az infravörös fényt a "szobahőmérséklethez" hasonló objektumok állítják elő. Mivel az infravörös távcsövek tápellátására és vezérlésére használt elektronika ilyen hőmérsékleten fog működni, maguk a műszerek infravörös fényt bocsátanak ki, zavarva az adatgyűjtést. Ezért a műszereket folyékony héliummal hűtjük, hogy csökkentsük az idegen infravörös fotonok bejutását az érzékelőbe. A legtöbb a nap A Föld felszínét eljutó sugárzás valójában infravörös fény, és a látható sugárzás nem messze van (és az ultraibolya egy távoli harmadot).

• Látható (optikai) fény: A látható fény hullámhossz-tartománya 380 nanométer (nm) és 740 nm. Ez az az elektromágneses sugárzás, amelyet saját szemünkkel képesek felismerni, minden más forma láthatatlan számunkra elektronikus segédeszközök nélkül. A látható fény valójában csak az elektromágneses spektrum nagyon kis részét képezi, ezért fontos az összes többi hullámhossz tanulmányozása a csillagászatban, hogy teljes képet kapjunk a világegyetem és megértsék a mennyei testeket irányító fizikai mechanizmusokat.
• Feketetest sugárzása: A fekete test olyan tárgy, amely hevítéskor elektromágneses sugárzást bocsát ki, a képződött fény csúcsának hullámhossza arányos lesz a hőmérséklettel (ezt Wien-törvénynek nevezik). Nincs olyan tökéletes fekete test, de sok olyan tárgy, mint a Nap, a Föld és az elektromos kályhán lévő tekercsek, nagyon jó becslések.
• HősugárzásMivel az anyag belsejében levő részecskék hőmérsékletük miatt mozognak, az így kapott kinetikus energia a rendszer teljes hőenergiájaként írható le. Feketetestű tárgy esetén (lásd fent) a hőenergia elektromágneses sugárzás formájában szabadulhat fel a rendszerből.

A sugárzás, amint látjuk, az univerzum egyik alapvető szempontja. Enélkül nincs fény, hő, energia vagy élet.

Szerkesztette Carolyn Collins Petersen.