Radiația în spațiu și astronomie

Astronomia este studiul obiectelor din univers care radiază (sau reflectă) energia din tot spectrul electromagnetic. Astronomii studiază radiațiile de la toate obiectele din univers. Haideți să aruncăm o privire aprofundată asupra formelor de radiații de acolo.

Pentru a înțelege complet universul, oamenii de știință trebuie să-l privească pe întregul spectru electromagnetic. Aceasta include particulele cu energie mare, precum razele cosmice. Unele obiecte și procese sunt de fapt invizibile complet în anumite lungimi de undă (chiar optice), motiv pentru care astronomii îi privesc în multe lungimi de undă. Ceva invizibil la o lungime de undă sau frecvență poate fi foarte strălucitor în altul și asta le spune oamenilor de știință ceva foarte important în acest sens.

Radiația descrie particule elementare, nuclee și unde electromagnetice, în timp ce se propagă prin spațiu. Oamenii de știință se referă, de obicei, la radiații în două moduri: ionizant și neionizant.

Ionizarea este procesul prin care electronii sunt îndepărtați dintr-un atom. Acest lucru se întâmplă tot timpul în natură și necesită doar atomul să se ciocnească cu un foton sau o particulă cu suficientă energie pentru a excita alegerile. Când se întâmplă acest lucru, atomul nu își mai poate menține legătura cu particulele.

Anumite forme de radiație transportă suficientă energie pentru a ioniza diverși atomi sau molecule. Acestea pot provoca daune semnificative entităților biologice prin provocarea cancerului sau a altor probleme semnificative de sănătate. Măsura distrugerii radiației este o problemă a cât de multă radiație a fost absorbită de organism.

Pragul minim energia necesară pentru ca radiațiile să fie considerate ionizante este de aproximativ 10 volți electroni (10 eV). Există mai multe forme de radiații care există în mod natural peste acest prag:

• Raze gamma: Raze gamma (desemnate de obicei cu litera greacă γ) sunt o formă de radiație electromagnetică. Ele reprezintă cele mai înalte forme energetice de lumină din Universul. Razele gamma apar dintr-o varietate de procese, de la activitatea din interiorul reactoarelor nucleare până la exploziile stelare numite supernovele și evenimente puternic energice cunoscute sub denumirea de bursters cu raze gamma. Deoarece razele gamma sunt radiații electromagnetice, acestea nu interacționează ușor cu atomii decât dacă are loc o coliziune frontală. În acest caz, raza gamma se va „descompune” într-o pereche electron-pozitron. Cu toate acestea, în cazul în care o rază gamma este absorbită de o entitate biologică (de exemplu, o persoană), atunci poate fi făcut un rău semnificativ, deoarece este nevoie de o cantitate considerabilă de energie pentru a opri radiația. În acest sens, razele gamma sunt poate cea mai periculoasă formă de radiație pentru om. Din fericire, în timp ce pot pătrunde câțiva kilometri în atmosfera noastră înainte de a interacționa cu un atom, atmosfera noastră este suficient de groasă încât majoritatea razelor gamma sunt absorbite înainte de a ajunge la pământ. Cu toate acestea, astronauții din spațiu nu au protecție față de aceștia și sunt limitați la timpul pe care îl pot petrece „în afara” unei nave spațiale sau a unei stații spațiale. În timp ce doze foarte mari de radiații gamma pot fi fatale, rezultatul cel mai probabil la expuneri repetate la doze peste medie de raze gamma (cum ar fi cele experimentate de astronauți, de exemplu) este un risc crescut de cancer. Este un lucru pe care experții în științele vieții din agențiile spațiale din lume îl studiază îndeaproape.
• Razele X: razele X sunt, ca și razele gamma, o formă de unde electromagnetice (lumină). De obicei, sunt împărțite în două clase: radiografii moi (cele cu lungimi de undă mai lungi) și radiografii dure (cele cu lungimi de undă mai scurte). Cu cât este mai scurtă lungimea de undă (adică Mai tare radiografia) cu atât este mai periculos. Acesta este motivul pentru care radiografiile cu energie mai mică sunt utilizate în imagistica medicală. Razele X vor ioniza de obicei atomi mai mici, în timp ce atomii mai mari pot absorbi radiațiile, deoarece au lacune mai mari în energiile lor de ionizare. Acesta este motivul pentru care aparatele cu raze X vor imagina foarte bine lucrurile precum oasele (sunt compuse din elemente mai grele), în timp ce sunt imagini sărace ale țesuturilor moi (elemente mai ușoare). Se estimează că aparatele cu raze X și alte dispozitive derivate au în calcul între 35-50% a radiațiilor ionizante experimentate de oamenii din Statele Unite.
• Particule alfa: O particulă alfa (desemnată cu litera greacă α) este formată din doi protoni și doi neutroni; exact aceeași compoziție ca un nucleu de heliu. Concentrându-se pe procesul de degradare alfa care le creează, iată ce se întâmplă: particula alfa este ejectat din nucleul părinte cu viteză foarte mare (deci energie mare), de obicei peste 5% din viteza luminii. Unele particule alfa ajung pe Pământ sub formă de raze cosmice și poate atinge viteze mai mari de 10% din viteza luminii. În general, însă, particulele alfa interacționează pe distanțe foarte scurte, așa că aici, pe Pământ, radiațiile de particule alfa nu reprezintă o amenințare directă pentru viață. Este pur și simplu absorbit de atmosfera noastră exterioară. Cu toate acestea este un pericol pentru astronauți.
• Particule beta: Rezultatul degradării beta, particulele beta (de obicei descrise de litera greacă Β) sunt electroni energetici care scapă atunci când un neutron se descompune într-un proton, electron și anti-neutrino. Acești electroni sunt mai energici decât particulele alfa, dar mai puțin decât razele gamma cu energie mare. În mod normal, particulele beta nu preocupă sănătatea umană, deoarece sunt protejate cu ușurință. Particulele beta create artificial (ca în acceleratoare) pot pătrunde mai ușor în piele, deoarece au o energie considerabil mai mare. Unele locuri folosesc aceste fascicule de particule pentru a trata diferite tipuri de cancer din cauza capacității lor de a viza regiuni foarte specifice. Cu toate acestea, tumora trebuie să fie aproape de suprafață pentru a nu deteriora cantități semnificative de țesut intersectat.
• Radiație neutronică: În timpul proceselor de fuziune nucleară sau fisiune nucleară se creează neutroni cu energie foarte mare. Acestea pot fi apoi absorbite de un nucleu atomic, determinând ca atomul să intre într-o stare excitată și poate emite raze gamma. Acești fotoni vor excita apoi atomii din jurul lor, creând o reacție în lanț, ceea ce duce la zona să devină radioactivă. Acesta este unul dintre principalele moduri în care oamenii sunt răniți în timp ce lucrează în jurul reactoarelor nucleare fără un echipament de protecție adecvat.

În timp ce radiațiile ionizante (de mai sus) primesc toată presa despre faptul că sunt dăunătoare oamenilor, radiațiile neionizante pot avea și efecte biologice semnificative. De exemplu, radiațiile neionizante pot provoca lucruri precum arsurile solare. Cu toate acestea, este ceea ce folosim pentru a găti mâncarea în cuptoare cu microunde. Radiația neionizantă poate veni de asemenea sub formă de radiații termice, care pot încălzi materialul (și deci atomii) la temperaturi suficient de ridicate pentru a provoca ionizarea. Cu toate acestea, acest proces este considerat diferit de procesele de ionizare cinetică sau fotonică.

• Unde radio: Undele radio sunt cea mai lungă formă de undă a radiației electromagnetice (lumină). Au o lungime de 1 milimetru până la 100 de kilometri. Totuși, acest interval se suprapune cu banda cu microunde (a se vedea mai jos). Undele radio sunt produse în mod natural de galaxii active (în special din zona din jurul lor găuri negre supermasive), pulsarii si in resturi de supernove. Dar sunt, de asemenea, create artificial în scopul transmiterii de radio și televiziune.
• microundele: Definite ca lungimi de undă ale luminii cuprinse între 1 milimetru și 1 metru (1.000 de milimetri), microundele sunt uneori considerate a fi un subset de unde radio. De fapt, radioastronomia este, în general, studiul benzii cu microunde, deoarece radiațiile de lungime de undă mai lungă sunt foarte greu de detectat, deoarece ar necesita detectoare de dimensiuni imense; prin urmare, doar câțiva colegi dincolo de lungimea de undă de un metru. Deși nu sunt ionizante, microundele pot fi în continuare periculoase pentru oameni, deoarece pot oferi o cantitate mare de energie termică unui element datorită interacțiunilor sale cu vaporii de apă și apă. (De asemenea, acesta este motivul pentru care observatoarele cu microunde sunt plasate de obicei în locuri înalte și uscate de pe Pământ, pentru a reduce cantitatea de interferențe pe care vaporii de apă din atmosfera noastră le pot provoca experimentului.
• Radiatii infrarosii: Radiația infraroșie este banda de radiații electromagnetice care ocupă lungimi de undă cuprinse între 0,74 micrometri și până la 300 micrometri. (Există un milion de micrometri într-un metru.) Radiația infraroșie este foarte aproape de lumina optică și, prin urmare, sunt folosite tehnici foarte similare pentru studierea acesteia. Cu toate acestea, există unele dificultăți de depășit; și anume lumina infraroșie este produsă de obiecte comparabile cu „temperatura camerei”. Deoarece electronica folosită pentru alimentarea și controlul telescoapelor cu infraroșu va funcționa la astfel de temperaturi, instrumentele în sine vor emite lumină infraroșie, interferând cu achiziția de date. Prin urmare, instrumentele sunt răcite cu heliu lichid, pentru a reduce fotonii infraroșii străini de la intrarea în detector. Cea mai mare parte din ce soarele emisiunile care ajung la suprafața Pământului sunt de fapt lumină infraroșie, cu radiația vizibilă nu foarte în urmă (și ultraviolete o treime îndepărtată).

• Lumină vizibilă (optică): Gama lungimilor de undă a luminii vizibile este de 380 nanometri (nm) și 740 nm. Aceasta este radiația electromagnetică pe care suntem capabili să o detectăm cu ochii noștri, toate celelalte forme ne sunt invizibile fără ajutorul electronic. Lumina vizibilă este de fapt doar o parte foarte mică din spectrul electromagnetic, motiv pentru care este important să studiem toate celelalte lungimi de undă din astronomie pentru a obține o imagine completă a univers și să înțelegem mecanismele fizice care guvernează corpurile cerești.
• Radiație Blackbody: Un om negru este un obiect care emite radiații electromagnetice atunci când este încălzit, lungimea de undă maximă a luminii produse va fi proporțională cu temperatura (aceasta este cunoscută sub numele de Legea lui Wien). Nu există niciun fel de persoană neagră perfectă, dar multe obiecte precum Soarele nostru, Pământul și bobinele de la soba electrică sunt aproximații destul de bune.
• Radiație termala: Pe măsură ce particulele din interiorul unui material se mișcă datorită temperaturii lor, energia cinetică rezultată poate fi descrisă ca energia termică totală a sistemului. În cazul unui obiect negru (vezi mai sus), energia termică poate fi eliberată din sistem sub formă de radiații electromagnetice.

Radiația, după cum putem vedea, este unul dintre aspectele fundamentale ale universului. Fără ea, nu am avea lumină, căldură, energie sau viață.

Editat de Carolyn Collins Petersen.