Ακτινοβολία στο διάστημα και την αστρονομία

Η αστρονομία είναι η μελέτη αντικειμένων στο σύμπαν που εκπέμπουν (ή αντανακλούν) ενέργεια από το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Οι αστρονόμοι μελετούν την ακτινοβολία από όλα τα αντικείμενα του σύμπαντος. Ας δούμε σε βάθος τις μορφές ακτινοβολίας εκεί έξω.

Για να κατανοήσουμε πλήρως το σύμπαν, οι επιστήμονες πρέπει να το εξετάσουν σε ολόκληρο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Αυτό περιλαμβάνει τα σωματίδια υψηλής ενέργειας όπως οι κοσμικές ακτίνες. Ορισμένα αντικείμενα και διαδικασίες είναι στην πραγματικότητα εντελώς αόρατα σε ορισμένα μήκη κύματος (ακόμη και οπτικά), γι 'αυτό οι αστρονόμοι τα βλέπουν σε πολλά μήκη κύματος. Κάτι αόρατο σε ένα μήκος κύματος ή συχνότητα μπορεί να είναι πολύ φωτεινό σε ένα άλλο, και αυτό λέει στους επιστήμονες κάτι πολύ σημαντικό γι 'αυτό.

Η ακτινοβολία περιγράφει στοιχειώδη σωματίδια, πυρήνες και ηλεκτρομαγνητικά κύματα καθώς αυτά διαδίδονται μέσω του διαστήματος. Οι επιστήμονες συνήθως αναφέρουν την ακτινοβολία με δύο τρόπους: ιονίζουσες και μη ιονίζουσες.

Ο ιονισμός είναι η διαδικασία με την οποία τα ηλεκτρόνια αφαιρούνται από ένα άτομο. Αυτό συμβαίνει συνεχώς στη φύση και απαιτεί απλώς το άτομο να συγκρουστεί με ένα φωτόνιο ή ένα σωματίδιο με αρκετή ενέργεια για να διεγείρει τις εκλογές. Όταν συμβεί αυτό, το άτομο δεν μπορεί πλέον να διατηρήσει τον δεσμό του με το σωματίδιο.

Ορισμένες μορφές ακτινοβολίας φέρουν αρκετή ενέργεια για να ιονίζουν διάφορα άτομα ή μόρια. Μπορούν να προκαλέσουν σημαντική βλάβη σε βιολογικές οντότητες προκαλώντας καρκίνο ή άλλα σημαντικά προβλήματα υγείας. Η έκταση της βλάβης από ακτινοβολία είναι θέμα της απορρόφησης της ακτινοβολίας από τον οργανισμό.

Το ελάχιστο όριο ενέργεια που απαιτείται για να θεωρηθεί η ακτινοβολία ιονίζουσα είναι περίπου 10 ηλεκτρόνια (10 eV). Υπάρχουν διάφορες μορφές ακτινοβολίας που φυσικά υπάρχουν πάνω από αυτό το όριο:

• Ακτίνες γάμμα: Ακτίνες γάμμα (συνήθως χαρακτηρίζονται από το ελληνικό γράμμα γ) είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αντιπροσωπεύουν τις υψηλότερες ενεργειακές μορφές φωτός μέσα το σύμπαν. Οι ακτίνες γάμμα εμφανίζονται από μια ποικιλία διεργασιών, που κυμαίνονται από τη δραστηριότητα εντός των πυρηνικών αντιδραστήρων μέχρι τις αστρικές εκρήξεις που ονομάζονται σουπερνόβα και εξαιρετικά ενεργητικά γεγονότα γνωστά ως ακτινογραφίες ακτίνων-γ. Δεδομένου ότι οι ακτίνες γάμα είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, δεν αλληλεπιδρούν άμεσα με τα άτομα, εκτός αν συμβαίνει μια σύγκρουση κεφαλής. Στην περίπτωση αυτή η ακτίνα γάμα θα "αποσυντεθεί" σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Ωστόσο, αν μια ακτινοβολία γάμα απορροφάται από μια βιολογική οντότητα (π.χ. ένα άτομο), τότε μπορεί να προκληθεί σημαντική βλάβη καθώς χρειάζεται μια σημαντική ποσότητα ενέργειας για να σταματήσει αυτή η ακτινοβολία. Με αυτή την έννοια, οι ακτίνες γάμμα είναι ίσως η πιο επικίνδυνη μορφή ακτινοβολίας στον άνθρωπο. Ευτυχώς, ενώ μπορούν να διεισδύσουν αρκετά μίλια στην ατμόσφαιρα μας προτού αλληλεπιδράσουν με ένα άτομο, η ατμόσφαιρά μας είναι αρκετά παχύς ώστε οι περισσότερες ακτίνες γάμμα να απορροφηθούν πριν φτάσουν στο έδαφος. Ωστόσο, οι αστροναύτες στο διάστημα στερούνται προστασίας από αυτούς και περιορίζονται στο χρονικό διάστημα που μπορούν να περάσουν έξω από ένα διαστημικό σκάφος ή έναν διαστημικό σταθμό. Ενώ οι πολύ υψηλές δόσεις ακτινοβολίας γάμμα μπορεί να είναι θανατηφόρες, το πιο πιθανό αποτέλεσμα σε επανειλημμένες εκθέσεις σε πάνω από τις μέσες δόσεις ακτίνων γάμμα (όπως αυτές που βιώνουν οι αστροναύτες, για παράδειγμα) είναι ένας αυξημένος κίνδυνος Καρκίνος. Αυτό είναι κάτι που οι εμπειρογνώμονες των βιολογικών επιστημών στους διαστημικούς οργανισμούς του κόσμου μελετούν στενά.
• Ακτίνες Χ: οι ακτινογραφίες είναι, όπως και οι ακτίνες γάμα, μια μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (φωτός). Συνήθως χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: μαλακές ακτίνες Χ (εκείνες με τα μεγαλύτερα μήκη κύματος) και σκληρές ακτινογραφίες (εκείνες με μικρότερα μήκη κύματος). Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος (δηλ πιο δυνατα η ακτινογραφία) όσο πιο επικίνδυνη είναι. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιούνται ακτινογραφίες χαμηλότερης ενέργειας στην ιατρική απεικόνιση. Οι ακτίνες Χ τυπικά ιονίζουν μικρότερα άτομα, ενώ μεγαλύτερα άτομα μπορούν να απορροφήσουν την ακτινοβολία καθώς έχουν μεγαλύτερα κενά στις ενέργειές τους ιονισμού. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι μηχανές ακτίνων Χ θα απεικονίζουν πολύ καλά τα οστά (αποτελούνται από βαρύτερα στοιχεία), ενώ είναι κακή απεικόνιση μαλακού ιστού (ελαφρύτερα στοιχεία). Εκτιμάται ότι οι μηχανές ακτίνων Χ και άλλες παράγωγες συσκευές αντιπροσωπεύουν μεταξύ 35-50% της ιονίζουσας ακτινοβολίας που βιώνουν οι άνθρωποι στις Ηνωμένες Πολιτείες.
• Άλφα σωματίδια: Ένα άλφα σωματίδιο (που ορίζεται από το ελληνικό γράμμα α) αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. ακριβώς την ίδια σύνθεση με έναν πυρήνα ηλίου. Εστιάζοντας στη διαδικασία αλφα-αποσύνθεσης που τις δημιουργεί, εδώ τι συμβαίνει: το σωματίδιο άλφα είναι εκτοξεύεται από τον γονικό πυρήνα με πολύ υψηλή ταχύτητα (συνεπώς υψηλή ενέργεια), συνήθως μεγαλύτερη από 5% απο ταχύτητα του φωτός. Μερικά σωματίδια άλφα έρχονται στη Γη υπό τη μορφή κοσμικές ακτίνες και μπορεί να επιτύχει ταχύτητες άνω του 10% της ταχύτητας φωτός. Γενικά, όμως, τα σωματίδια άλφα αλληλεπιδρούν σε πολύ μικρές αποστάσεις, έτσι εδώ στη Γη, η ακτινοβολία σωματιδίων άλφα δεν αποτελεί άμεση απειλή για τη ζωή. Απλώς απορροφάται από την εξωτερική μας ατμόσφαιρα. Ωστόσο, αυτό είναι έναν κίνδυνο για τους αστροναύτες.
• Βήτα σωματίδια: Το αποτέλεσμα της βήτα αποσύνθεσης, τα βήτα σωματίδια (συνήθως περιγράφονται από το ελληνικό γράμμα Β) είναι ενεργητικά ηλεκτρόνια που διαφεύγουν όταν ένα νετρόνιο διασπάται σε πρωτόνια, ηλεκτρόνια και αντι-ουδέτερο. Αυτά τα ηλεκτρόνια είναι πιο ενεργητικά από τα σωματίδια άλφα αλλά λιγότερο από τις ακτίνες γάμμα υψηλής ενέργειας. Κανονικά, τα σωματίδια βήτα δεν ανησυχούν για την ανθρώπινη υγεία καθώς είναι εύκολα προστατευμένα. Τεχνητά δημιουργημένα βήτα σωματίδια (όπως και στους επιταχυντές) μπορούν να διεισδύσουν πιο εύκολα στο δέρμα, καθώς έχουν σημαντικά υψηλότερη ενέργεια. Κάποια μέρη χρησιμοποιούν αυτές τις δέσμες σωματιδίων για τη θεραπεία διαφόρων ειδών καρκίνου λόγω της ικανότητάς τους να στοχεύουν σε πολύ συγκεκριμένες περιοχές. Ωστόσο, ο όγκος πρέπει να βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια ώστε να μην βλάψει σημαντικές ποσότητες διασκορπισμένου ιστού.
• Ακτινοβολία ουδετέρου: Τα νετρόνια πολύ υψηλής ενέργειας δημιουργούνται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σύντηξης ή των διαδικασιών πυρηνικής σχάσης. Μπορούν στη συνέχεια να απορροφηθούν από έναν ατομικό πυρήνα, προκαλώντας το άτομο να βρεθεί σε μια διεγερμένη κατάσταση και μπορεί να εκπέμψει ακτίνες γ. Αυτά τα φωτόνια θα ενθουσιάσουν τα άτομα γύρω τους, δημιουργώντας μια αλυσιδωτή αντίδραση, που θα οδηγήσει στην περιοχή να γίνει ραδιενεργός. Αυτός είναι ένας από τους πρωταρχικούς τρόπους που τραυματίζονται οι άνθρωποι ενώ εργάζονται γύρω από πυρηνικούς αντιδραστήρες χωρίς κατάλληλα προστατευτικά εργαλεία.

Ενώ η ιονίζουσα ακτινοβολία (παραπάνω) παίρνει όλο τον τύπο για να είναι επιβλαβής για τον άνθρωπο, η μη ιοντίζουσα ακτινοβολία μπορεί επίσης να έχει σημαντικές βιολογικές επιδράσεις. Για παράδειγμα, η μη ιονίζουσα ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει πράγματα όπως ηλιακά εγκαύματα. Ωστόσο, είναι αυτό που χρησιμοποιούμε για να μαγειρεύουμε τρόφιμα σε φούρνους μικροκυμάτων. Η μη ιονίζουσα ακτινοβολία μπορεί επίσης να έρθει με τη μορφή θερμικής ακτινοβολίας, η οποία μπορεί να θερμάνει υλικό (και συνεπώς άτομα) σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες για να προκαλέσει ιονισμό. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία θεωρείται διαφορετική από τις διεργασίες κινητικής ή ιονισμού φωτονίων.

• Ραδιοκύματα: Τα ραδιοκύματα είναι η μεγαλύτερη μορφή μήκους κύματος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (φως). Περίπου 1 χιλιοστόμετρο έως 100 χιλιόμετρα. Η περιοχή αυτή, ωστόσο, επικαλύπτεται με τη ζώνη μικροκυμάτων (βλ. Παρακάτω). Τα ραδιοκύματα παράγονται φυσικά από ενεργούς γαλαξίες (ειδικά από την περιοχή γύρω από τους υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες), pulsars και στο τα υπολείμματα σουπερνόβα. Αλλά δημιουργούνται επίσης τεχνητά για σκοπούς μετάδοσης ραδιοφώνου και τηλεόρασης.
• Φούρνοι μικροκυμάτων: Καθορισμένα ως μήκη κύματος φωτός μεταξύ 1 χιλιοστόμετρου και 1 μέτρου (1.000 χιλιοστά), τα μικροκύματα μερικές φορές θεωρούνται ως ένα υποσύνολο ραδιοκυμάτων. Στην πραγματικότητα, η ραδιοαστρονομία είναι γενικά η μελέτη της ζώνης μικροκυμάτων, καθώς η μεγαλύτερη ακτινοβολία μήκους κύματος είναι πολύ δύσκολο να ανιχνευθεί, καθώς θα απαιτούσε ανιχνευτές τεράστιου μεγέθους. επομένως μόνο λίγοι ομότιμοι χρήστες πέρα ​​από το μήκος κύματος 1 μέτρου. Ενώ είναι μη ιονιστικά, τα μικροκύματα μπορούν να είναι επικίνδυνα για τον άνθρωπο, καθώς μπορούν να μεταδώσουν μια μεγάλη ποσότητα θερμικής ενέργειας σε ένα αντικείμενο λόγω των αλληλεπιδράσεών του με το νερό και τους υδρατμούς. (Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο τα παρατηρητήρια μικροκυμάτων τοποθετούνται συνήθως σε υψηλά και ξηρά μέρη στη Γη, ώστε να μειωθεί η ποσότητα παρεμβολής που μπορεί να προκαλέσει το ατμοσφαιρικό ατμό στην ατμόσφαιρα μας στο πείραμα.
• Υπέρυθρη ακτινοβολία: Η υπέρυθρη ακτινοβολία είναι η ζώνη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που καταλαμβάνει μήκη κύματος μεταξύ 0,74 μικρομέτρων και 300 μικρομέτρων. (Υπάρχουν 1 εκατομμύριο μικρόμετρα σε ένα μέτρο.) Η υπέρυθρη ακτινοβολία είναι πολύ κοντά στο οπτικό φως και γι 'αυτό χρησιμοποιούνται πολύ παρόμοιες τεχνικές για να την μελετήσετε. Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένες δυσκολίες που πρέπει να ξεπεραστούν. δηλαδή το υπέρυθρο φως παράγεται από αντικείμενα συγκρίσιμα με τη "θερμοκρασία δωματίου". Δεδομένου ότι τα ηλεκτρονικά που χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία και τον έλεγχο υπέρυθρων τηλεσκοπίων θα λειτουργούν σε τέτοιες θερμοκρασίες, τα ίδια τα όργανα θα εκπέμπουν υπέρυθρο φως, παρεμποδίζοντας την απόκτηση δεδομένων. Επομένως τα όργανα ψύχονται χρησιμοποιώντας υγρό ήλιο, έτσι ώστε να μειωθούν τα εξωτερικά υπέρυθρα φωτόνια από την είσοδο στον ανιχνευτή. Τα περισσότερα από αυτά Ο ήλιος που εκπέμπει φτάνει στην επιφάνεια της Γης είναι στην πραγματικότητα υπέρυθρο φως, με την ορατή ακτινοβολία όχι πολύ πίσω (και υπεριώδη μια μακρινή τρίτη).

• Ορατό (οπτικό) φως: Το εύρος των μηκών κύματος του ορατού φωτός είναι 380 nanometers (nm) και 740 nm. Αυτή είναι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που μπορούμε να εντοπίσουμε με τα μάτια μας, όλες οι άλλες μορφές είναι αόρατες για εμάς χωρίς ηλεκτρονικά βοηθήματα. Το ορατό φως είναι στην πραγματικότητα μόνο ένα πολύ μικρό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, γι 'αυτό είναι σημαντικό να μελετήσουμε όλα τα άλλα μήκη κύματος στην αστρονομία, ώστε να έχουμε μια πλήρη εικόνα της σύμπαν και να κατανοήσουμε τους φυσικούς μηχανισμούς που διέπουν τα ουράνια σώματα.
• Μαύρη ακτινοβολία: Ένα μαύρο σώμα είναι ένα αντικείμενο που εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία όταν θερμαίνεται, το μέγιστο μήκος κύματος του παραγόμενου φωτός θα είναι ανάλογο της θερμοκρασίας (αυτό είναι γνωστό ως νόμος του Wien). Δεν υπάρχει τέλειο μαύρο σώμα, αλλά πολλά αντικείμενα όπως ο Ήλιος, η Γη και οι ρόλοι στην ηλεκτρική κουζίνα σας είναι αρκετά καλές προσεγγίσεις.
• Θερμική ακτινοβολία: Δεδομένου ότι τα σωματίδια μέσα σε μια κίνηση υλικού λόγω της θερμοκρασίας τους η προκύπτουσα κινητική ενέργεια μπορεί να περιγραφεί ως η συνολική θερμική ενέργεια του συστήματος. Στην περίπτωση ενός αντικειμένου μαύρης βάσης (βλ. Παραπάνω) η θερμική ενέργεια μπορεί να απελευθερωθεί από το σύστημα με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Η ακτινοβολία, όπως μπορούμε να δούμε, είναι μια από τις θεμελιώδεις πτυχές του σύμπαντος. Χωρίς αυτό, δεν θα είχαμε φως, θερμότητα, ενέργεια ή ζωή.

Επεξεργάστηκε από Carolyn Collins Petersen.