Spinduliuotė kosmose ir astronomija

Astronomija yra visatos objektų, spinduliuojančių (arba atspindinčių) energiją iš viso elektromagnetinio spektro, tyrimas. Astronomai tiria visų visatos objektų radiaciją. Pažvelkime į ten esančias radiacijos formas.

Norėdami visiškai suprasti visatą, mokslininkai turi pažvelgti į ją per visą elektromagnetinį spektrą. Tai apima didelės energijos daleles, tokias kaip kosminiai spinduliai. Kai kurie objektai ir procesai iš tikrųjų yra visiškai nematomi tam tikruose bangos ilgiuose (net optiniuose), todėl astronomai į juos žiūri daugeliu bangos ilgių. Kažkas, kas nematoma vieno bangos ilgio ar dažnio, kitoje gali būti labai ryški, ir tai sako mokslininkams apie tai labai svarbų.

Spinduliuote apibūdinamos elementariosios dalelės, branduoliai ir elektromagnetinės bangos, kai jos sklinda erdvėje. Paprastai mokslininkai nurodo radiaciją dviem būdais: jonizuojančiąja ir nejonizuojančiąja.

Jonizacija yra procesas, kurio metu elektronai pašalinami iš atomo. Gamtoje tai vyksta visą laiką ir tam reikia tik to, kad atomas susidurtų su fotonu ar dalele, turinčia pakankamai energijos sužadinti rinkimus (-us). Kai tai atsitiks, atomas nebegali išlaikyti savo ryšio su dalele.

Tam tikros radiacijos formos turi pakankamai energijos, kad jonizuotų įvairius atomus ar molekules. Jie gali sukelti didelę žalą biologiniams dariniams, sukeldami vėžį ar kitas reikšmingas sveikatos problemas. Radiacinės žalos dydis priklauso nuo to, kiek radiacijos absorbavo organizmas.

Mažiausia riba energijos, reikalingos radiacijai laikyti jonizuojančiąja yra apie 10 elektronų voltų (10 eV). Yra kelios radiacijos formos, natūraliai egzistuojančios virš šios ribos:

• Gama spinduliai: Gama spinduliai (paprastai žymimos graikiška raide γ) yra elektromagnetinės spinduliuotės forma. Jie atspindi aukščiausias energijos formas šviesoje visata. Gama spinduliai vyksta įvairiais procesais, pradedant nuo aktyvumo branduoliniuose reaktoriuose ir baigiant vadinamais žvaigždžių sprogimais supernovos ir labai energingi įvykiai, žinomi kaip gama spindulių sprogdintojai. Kadangi gama spinduliai yra elektromagnetinė spinduliuotė, jie lengvai nesąveikauja su atomais, nebent įvyktų susidūrimas galvoje. Tokiu atveju gama spindulys „suirs“ į elektronų-pozitronų porą. Tačiau jei gama spindulį sugeria biologinis subjektas (pvz., Asmuo), galima padaryti didelę žalą, nes tokiai radiacijai sustabdyti reikia nemažai energijos. Šia prasme gama spinduliai yra bene pavojingiausia žmonėms radiacijos forma. Laimei, nors jie, prieš sąveikaudami su atomu, gali prasiskverbti į keletą mylių į mūsų atmosferą, mūsų atmosfera yra pakankamai stora, kad dauguma gama spindulių būtų absorbuojami dar prieš jiems pasiekiant žemę. Tačiau kosmonautai kosmose neturi apsaugos nuo jų ir yra ribojami laiko, kurį jie gali praleisti „už“ erdvėlaivio ar kosminės stoties. Nors labai didelės gama spinduliuotės dozės gali būti mirtinos, labiausiai tikėtina, kad pakartotinis apšvitinimas didesnės nei vidutinės gama spindulių dozės (pvz., patirtos, pavyzdžiui, kosmonautų) yra padidėjusi rizika vėžys. Tai yra dalykas, kurį atidžiai tiria pasaulio kosmoso agentūrų gyvybės mokslų ekspertai.
• Rentgeno spinduliai: rentgeno spinduliai, kaip ir gama spinduliai, yra elektromagnetinių bangų (šviesos) forma. Paprastai jie skirstomi į dvi klases: minkštus rentgeno spindulius (tuos, kurių bangos ilgis ilgesnis) ir kietus rentgeno spindulius (tuos, kurių bangos ilgiai yra trumpesni). Kuo trumpesnis bangos ilgis (t. Y sunkiau rentgeno) tuo pavojingesnis. Štai kodėl medicininiuose vaizduose naudojami mažesnės energijos rentgeno spinduliai. Rentgeno spinduliai paprastai jonizuos mažesnius atomus, tuo tarpu didesni atomai gali absorbuoti radiaciją, nes jų jonizacijos energijose yra didesni tarpai. Štai kodėl rentgeno aparatai labai gerai atvaizduoja tokius dalykus kaip kaulai (jie yra sudaryti iš sunkesnių elementų), tuo tarpu jie yra prasti minkštųjų audinių (lengvesnių elementų) vaizduokliai. Apskaičiuota, kad rentgeno aparatai ir kiti išvestiniai įtaisai sudaro tarp 35–50 proc. jonizuojančiosios spinduliuotės, kurią patiria JAV žmonės.
• Alfa dalelės: Alfa dalelę (žymimą graikiška raide α) sudaro du protonai ir du neutronai; lygiai tokia pati kompozicija kaip helio branduolys. Dėmesys alfa skilimo procesui, kuris juos sukuria, štai kas nutinka: alfa dalelė yra išmestas iš pirminio branduolio labai dideliu greičiu (todėl daug energijos), paprastai viršijantis 5 proc. iš šviesos greitis. Kai kurios alfa dalelės į Žemę patenka kaip kosminiai spinduliai ir gali pasiekti greitį, viršijantį 10% šviesos greičio. Tačiau paprastai alfa dalelės sąveikauja labai nedideliais atstumais, todėl čia, Žemėje, alfa dalelių radiacija nėra tiesioginė grėsmė gyvybei. Jį tiesiog sugeria mūsų išorinė atmosfera. Vis dėlto yra pavojus astronautams.
• Beta dalelės: Beta skilimo pasekmė, beta dalelės (paprastai apibūdinamos graikiška raide Β) yra energetiniai elektronai, kurie išsilaisvina, kai neutronas suyra į protoną, elektroną ir anti-neutrinas. Šie elektronai yra energingesni už alfa daleles, bet mažiau nei didelės energijos gama spinduliai. Paprastai beta dalelės nekelia susirūpinimo žmonių sveikata, nes yra lengvai ekranuojamos. Dirbtinai sukurtos beta dalelės (kaip greitintuvuose) gali lengviau įsiskverbti į odą, nes jos turi žymiai didesnę energiją. Kai kuriose vietose šios dalelių pluoštai naudojami įvairių rūšių vėžiui gydyti, nes jie gali nukreipti į labai specifinius regionus. Tačiau navikas turi būti šalia paviršiaus, kad nepažeistų reikšmingo perteklinio audinio kiekio.
• Neutronų spinduliuotėBranduolio sintezės ar branduolio dalijimosi procesai sukuria labai didelės energijos neutronus. Tuomet juos gali absorbuoti atominis branduolys, sukeldamas atomo sužadinimo būseną ir jis gali skleisti gama spindulius. Šie fotonai sužadins aplink juos esančius atomus, sukeldami grandininę reakciją, dėl kurios sritis taps radioaktyvi. Tai yra vienas iš pagrindinių būdų, kaip žmonės sužeidžiami dirbdami aplink branduolinius reaktorius, neturėdami tinkamų apsauginių priemonių.

Nors apie jonizuojančiąją spinduliuotę (aukščiau) spaudoje rašoma, kad ji yra kenksminga žmonėms, nejonizuojančioji radiacija taip pat gali turėti reikšmingą biologinį poveikį. Pavyzdžiui, nejonizuojanti radiacija gali sukelti tokius nudegimus kaip saulė. Tačiau būtent tai mes naudojame maisto ruošimui mikrobangų krosnelėse. Nejonizuojanti spinduliuotė taip pat gali būti šiluminės spinduliuotės forma, kuri gali pašildyti medžiagą (taigi ir atomus) iki pakankamai aukštos temperatūros, kad būtų galima jonizuoti. Tačiau šis procesas laikomas kitokiu nei kinetinis ar fotonų jonizacijos procesas.

• Radio bangosRadijo bangos yra ilgiausia elektromagnetinės spinduliuotės (šviesos) bangos ilgio forma. Jie įveikia nuo 1 milimetro iki 100 kilometrų. Tačiau šis diapazonas sutampa su mikrobangų juosta (žr. Žemiau). Radijo bangas gamina natūraliai aktyvios galaktikos (konkrečiai iš apylinkės aplink supermasyvios juodosios skylės), pulsarai ir į supernovos likučiai. Bet jie taip pat yra sukurti dirbtinai radijo ir televizijos perdavimui.
• Mikrobangų krosnelės: Mikrobangos, laikomos šviesos bangos ilgiais nuo 1 milimetro iki 1 metro (1000 milimetrų), kartais laikomos radijo bangų pogrupiu. Tiesą sakant, radijo astronomija paprastai yra mikrobangų juostos tyrimas, nes ilgesnį bangos ilgio spinduliavimą yra labai sunku aptikti, nes tam prireiktų milžiniškų detektorių; taigi tik keli bendraamžiai viršija 1 metro bangos ilgį. Nors mikrobangos nėra jonizuojančios, jos vis tiek gali būti pavojingos žmonėms, nes dėl jų sąveikos su vandeniu ir vandens garais daiktas gali atiduoti daug šiluminės energijos. (Štai kodėl mikrobangų observatorijos paprastai yra įrengiamos aukštose, sausose vietose Žemėje, kad būtų sumažintas trikdžių lygis, kurį eksperimentui gali sukelti mūsų atmosferoje esantys vandens garai.
• Infraraudonųjų spindulių: Infraraudonoji spinduliuotė yra elektromagnetinės spinduliuotės juosta, užimanti bangos ilgį nuo 0,74 mikrometrų iki 300 mikrometrų. (Viename metre yra 1 milijonas mikrometrų.) Infraraudonoji spinduliuotė yra labai arti optinės šviesos, todėl ją tyrinėti naudojami labai panašūs būdai. Vis dėlto yra keletas sunkumų, kuriuos reikia įveikti; būtent infraraudonąją šviesą skleidžia objektai, palyginami su „kambario temperatūra“. Kadangi elektronika, naudojama maitinti ir valdyti infraraudonųjų spindulių teleskopus, veiks tokioje temperatūroje, patys prietaisai skleis infraraudonąją šviesą, trukdydami kaupti duomenis. Todėl instrumentai aušinami naudojant skystą helį, kad pašaliniai infraraudonųjų spindulių fotonai nepatektų į detektorių. Didžioji dalis ko saulė skleidžiami spinduliai, pasiekiantys Žemės paviršių, iš tikrųjų yra infraraudonųjų spindulių, matomoji spinduliuotė nėra labai atsilikusi (ir ultravioletiniu spinduliu nutolęs trečdalis).

• Matoma (optinė) šviesaMatomos šviesos bangos ilgių diapazonas yra 380 nanometrų (nm) ir 740 nm. Tai yra elektromagnetinė spinduliuotė, kurią mes galime aptikti savo akimis, visos kitos formos mums yra nematomos be elektroninių priemonių. Matoma šviesa iš tikrųjų yra tik labai maža elektromagnetinio spektro dalis, todėl svarbu ištirti visus kitus astronomijos bangos ilgius, kad gautumėte išsamų vaizdą apie visata ir suprasti fizinius mechanizmus, kurie valdo dangaus kūnus.
• Juodojo kūno radiacija: Juodas kūnas yra objektas, skleidžiantis elektromagnetinę spinduliuotę, kai jis kaitinamas. Didžiausias skleidžiamos šviesos bangos ilgis bus proporcingas temperatūrai (tai vadinama Wieno įstatymu). Tobulai juodo kūno nėra, tačiau daugelis objektų, tokių kaip mūsų Saulė, Žemė ir ritiniai ant jūsų elektrinės viryklės, yra gana puikūs.
• Šiluminis spinduliavimas: Kai dalelės medžiagos viduje juda dėl jų temperatūros, susidariusią kinetinę energiją galima apibūdinti kaip bendrą sistemos šiluminę energiją. Objekto, kuriame yra juodas kūnas (žr. Aukščiau), šiluminė energija gali būti paleista iš sistemos elektromagnetinės spinduliuotės pavidalu.

Radiacija, kaip matome, yra vienas iš pagrindinių visatos aspektų. Be jo mes neturėtume nei šviesos, nei šilumos, nei energijos, nei gyvybės.

Redaguota Carolyn Collins Petersen.