Säteily avaruudessa ja tähtitiede

Astronomia on maailmankaikkeuden esineiden, jotka säteilevät (tai heijastavat) energiaa sähkömagneettisen spektrin poikki, tutkimusta. Astronomit tutkivat säteilyä kaikista maailmankaikkeuden kohteista. Katsotaanpa syvällisemmin säteilyn muotoja siellä.

Ymmärtääksesi maailmankaikkeuden täysin, tutkijoiden on tarkasteltava sitä koko sähkömagneettisella spektrillä. Tämä sisältää korkeaenergiset hiukkaset, kuten kosmiset säteet. Jotkut esineet ja prosessit ovat todella täysin näkymättömiä tietyillä aallonpituuksilla (jopa optisilla), minkä vuoksi tähtitieteilijät katsovat niitä monilla aallonpituuksilla. Jokin näkymätön yhdellä aallonpituudella tai taajuudella voi olla erittäin kirkas toisessa, ja se kertoo tutkijoille siitä jotain erittäin tärkeää.

Säteily kuvaa elementtihiukkasia, ytimiä ja sähkömagneettisia aaltoja, kun ne leviävät avaruuden läpi. Tutkijat viittaavat säteilyyn tyypillisesti kahdella tavalla: ionisoivalla ja ionisoimattomalla.

Ionisointi on prosessi, jolla elektronit poistetaan atomista. Tämä tapahtuu jatkuvasti luonnossa, ja se vaatii vain atomin törmäävän fotonin tai hiukkasen kanssa, jolla on tarpeeksi energiaa vaalien (valintojen) herättämiseen. Kun tämä tapahtuu, atomi ei voi enää ylläpitää sitoutumistaan ​​hiukkasiin.

Tietyt säteilymuodot kuljettavat tarpeeksi energiaa erilaisten atomien tai molekyylien ionisoimiseksi. Ne voivat aiheuttaa merkittäviä haittoja biologisille kokonaisuuksille aiheuttamalla syöpää tai muita merkittäviä terveysongelmia. Säteilyvahinkojen laajuudessa on kysymys siitä, kuinka paljon säteily organismi absorboi.

Vähimmäiskynnys säteilyä varten tarvittava energia ionisoiviksi on noin 10 elektronivoltta (10 eV). On useita säteilymuotoja, joita esiintyy luonnollisesti tämän kynnyksen yläpuolella:

• Gammasäteiltä: Gammasäteet (joita yleensä merkitään kreikkalaisella kirjaimella γ) ovat eräs sähkömagneettisen säteilyn muoto. Ne edustavat valon korkeimpia energiamuotoja universumi. Gammasäteitä esiintyy monista prosesseista, aktiivisuudesta ydinreaktorien sisällä tähtien räjähdyksiin, joita kutsutaan supernovat ja erittäin energisiä tapahtumia, joita kutsutaan gammasäteenpurskeiksi. Koska gammasäteet ovat sähkömagneettista säteilyä, ne eivät ole helposti vuorovaikutuksessa atomien kanssa, ellei törmäystä esiinny. Tässä tapauksessa gammasäde "hajoaa" elektroni-positronipariksi. Jos biologinen kokonaisuus (esimerkiksi henkilö) absorboi gammasätettä, silloin voidaan tehdä huomattavaa vahinkoa, koska tällaisen säteilyn lopettaminen vie huomattavan määrän energiaa. Tässä mielessä gammasäteet ovat ehkä ihmisille vaarallisin säteilymuoto. Onneksi, vaikka ne voivat tunkeutua usean mailin päähän ilmakehästämme ennen kuin ne ovat vuorovaikutuksessa atomin kanssa, ilmakehämme on riittävän paksu, että suurin osa gammasäteistä absorboituu ennen kuin ne saavuttavat maan. Avaruuden astronautit eivät kuitenkaan suojaa heiltä, ​​ja ne ovat rajoitettu siihen aikaan, jonka he voivat viettää "avaruusaluksen tai avaruusaseman" ulkopuolella. Vaikka erittäin suuret gammasäteilyannokset voivat olla tappavia, todennäköisin tulos toistuvalle altistumiselle keskimääräistä suuremmilla gammasäteilyannoksilla (kuten esimerkiksi astronauttien kokemat) on lisääntynyt riski syöpä. Tätä maailman biotieteiden asiantuntijat tutkivat tiiviisti.
• Röntgenkuvat: röntgenkuvat, kuten gammasäteet, ovat eräitä sähkömagneettisia aaltoja (valoa). Ne jaotellaan yleensä kahteen luokkaan: pehmeät röntgensäteet (ne, joilla on pidempi aallonpituus) ja kovat röntgensäteet (ne, joilla on lyhyemmät aallonpituudet). Mitä lyhyempi aallonpituus (ts kovemmin röntgenkuva) sitä vaarallisempi on. Siksi lääketieteellisessä kuvantamisessa käytetään alhaisemman energian röntgenkuvia. Röntgensäteet ionisoivat tyypillisesti pienempiä atomeja, kun taas suuret atomit voivat absorboida säteilyä, koska niiden ionisaatioenergioissa on suurempia aukkoja. Siksi röntgenlaitteet kuvaavat hyvin luiden kaltaisia ​​asioita (ne koostuvat raskaammista elementeistä), kun ne ovat huonoja pehmytkudoksen kuvantajia (vaaleampia elementtejä). Arvioidaan, että röntgenlaitteiden ja muiden johdannaisten osuus on välillä 35-50% ionisoivasta säteilystä, jonka ihmiset kokevat Yhdysvalloissa.
• Alfahiukkaset: Alfahiukkas (merkitty kreikkalaisella kirjaimella α) koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista; täsmälleen sama koostumus kuin heliumin ydin. Keskittymällä niitä luovaan alfa-rappeutumisprosessiin tapahtuu seuraavaa: alfahiukkas on poistuu emäsytimestä erittäin suurella nopeudella (siksi suurella energialla), yleensä yli 5% n valonnopeus. Jotkut alfahiukkaset tulevat maan päälle muodossa kosmiset säteet ja se voi saavuttaa nopeuksia, jotka ovat yli 10% valon nopeudesta. Yleensä alfahiukkaset ovat kuitenkin vuorovaikutuksessa hyvin lyhyillä etäisyyksillä, joten täällä maan päällä alfahiukkasten säteily ei ole suora uhka elämälle. Se yksinkertaisesti imeytyy ulkoilmaan. Kuitenkin On vaara astronauteille.
• Beetahiukkaset: Beetahajoamisen seurauksena beetahiukkaset (joita yleensä kuvataan kreikkalaisella kirjaimella Β) ovat energisiä elektroneja, jotka karkautuvat, kun neutroni hajoaa protoniksi, elektroniksi ja anti-neutriino. Nämä elektronit ovat energiatehokkaampia kuin alfahiukkaset, mutta vähemmän kuin korkean energian gammasäteet. Beetahiukkaset eivät yleensä ole huolestuttavia ihmisten terveydelle, koska ne ovat helposti suojattuja. Keinotekoisesti luodut beetahiukkaset (kuten kiihdyttimissä) voivat tunkeutua ihoon helpommin, koska niiden energia on huomattavasti suurempi. Jotkut paikat käyttävät näitä hiukkaspalkkeja erilaisten syöpien hoitoon, koska ne kykenevät kohdistamaan erityisiä alueita. Kasvaimen on kuitenkin oltava lähellä pintaa, jotta se ei vahingoita merkittäviä määriä leikkautunutta kudosta.
• Neutronisäteily: Ydinfuusio- tai ydinfissioprosessien aikana syntyy erittäin korkeaenergisia neutroneja. Sitten ne voivat absorboida atomin ytimen avulla, jolloin atomi menee kiihtyneeseen tilaan ja se voi emittoida gammasäteitä. Nämä fotonit herättävät sitten niiden ympärillä olevat atomit, jolloin syntyy ketjureaktio, joka johtaa alueen radioaktiivisuuteen. Tämä on yksi tärkeimmistä tavoista, joissa ihmiset loukkaantuvat työskennellessään ydinreaktorien ympärillä ilman asianmukaisia ​​suojavarusteita.

Vaikka ionisoivalla säteilyllä (yllä) saadaan kaikki tiedotusvälineet haitallisiksi ihmisille, ei-ionisoivalla säteilyllä voi olla myös merkittäviä biologisia vaikutuksia. Esimerkiksi ioniton säteily voi aiheuttaa sellaisia ​​asioita kuin auringonpolttamia. Käytämme sitä kuitenkin ruokaa mikroaaltouuneissa. Ionisoimaton säteily voi myös tulla lämpösäteilyn muodossa, joka voi kuumentaa materiaalin (ja siten atomit) riittävän korkeisiin lämpötiloihin aiheuttamaan ionisoitumista. Tätä prosessia pidetään kuitenkin erilaisena kuin kineettisiä tai fotoni-ionisaatioprosesseja.

• Radioaallot: Radioaallot ovat sähkömagneettisen säteilyn (valon) pisin aallonpituus. Ne ovat 1 millimetristä 100 kilometriin. Tämä alue on kuitenkin päällekkäinen mikroaaltoalueen kanssa (katso alla). Radioaaltoja tuottaa luonnollisesti aktiiviset galaksit (erityisesti heidän ympäröivältä alueelta supermassiiviset mustat aukot), pulsareja ja sisään supernovan jäännökset. Mutta ne luodaan myös keinotekoisesti radio- ja televisiolähetyksiä varten.
• mikroaallot: Mikroaaltoja pidetään joskus radioaallon osajoukkona, jotka määritellään valon aallonpituuksiksi välillä 1 millimetri - 1 metri (1000 millimetriä). Itse asiassa radioastronomia on yleensä mikroaaltokaistan tutkimusta, koska pidemmän aallonpituuden säteilyä on hyvin vaikea havaita, koska se vaatisi valtavan kokoisia ilmaisimia; siten vain muutama vertainen yhden metrin aallonpituuden yli. Vaikka mikroaallot eivät ole ionisoivia, ne voivat silti olla vaarallisia ihmisille, koska ne voivat levittää esineelle suuren määrän lämpöenergiaa johtuen vuorovaikutuksestaan ​​veden ja vesihöyryn kanssa. (Tämän vuoksi myös mikroaaltouunihavaintopisteet sijaitsevat tyypillisesti korkeissa, kuivissa paikoissa maapallolla, jotta voidaan vähentää häiriöitä, joita ilmakehän vesihöyryt voivat aiheuttaa kokeilulle.
• Infrapunasäteily: Infrapunasäteily on sähkömagneettisen säteilyn kaista, jonka aallonpituudet ovat välillä 0,74 - 300 mikrometriä. (Metrissä on miljoona mikrometriä.) Infrapunasäteily on hyvin lähellä optista valoa, ja siksi sen tutkimiseen käytetään hyvin samanlaisia ​​tekniikoita. Joitakin vaikeuksia on kuitenkin voitettava; nimittäin infrapunavaloa tuottavat esineet, jotka ovat verrattavissa "huoneen lämpötilaan". Koska infrapuna-kaukoputkien virrankäyttöön ja ohjaukseen käytetty elektroniikka toimii sellaisissa lämpötiloissa, instrumentit itse lähettävät infrapunavaloa häiritsemällä tiedonkeruua. Siksi instrumentit jäähdytetään nestemäisellä heliumilla, jotta vieraat infrapunafotonit eivät pääse päästä ilmaisimeen. Suurin osa mitä aurinko Maan pintaan päästävä säteily on todella infrapunavaloa näkyvän säteilyn ollessa kaukana (ja ultravioletti kaukana kolmannesta).

• Näkyvä (optinen) valo: Näkyvän valon aallonpituusalue on 380 nanometriä (nm) ja 740 nm. Tämä on sähkömagneettinen säteily, jonka pystymme havaitsemaan omin silmin, kaikki muut muodot ovat meille näkymättömiä ilman elektronisia apuvälineitä. Näkyvä valo on oikeastaan ​​vain hyvin pieni osa sähkömagneettisesta spektristä, minkä vuoksi on tärkeää tutkia kaikkia muita tähtitieteen aallonpituuksia, jotta saadaan täydellinen kuva maailmankaikkeus ja ymmärtää fyysisiä mekanismeja, jotka hallitsevat taivaallisia ruumiita.
• Blackbody-säteily: Musta kappale on esine, joka emittoi sähkömagneettista säteilyä kuumennettaessa, tuotetun valon huipun aallonpituus on verrannollinen lämpötilaan (tämä tunnetaan nimellä Wienin laki). Täydellistä mustakuvaa ei ole, mutta monet esineet, kuten aurinko, maa ja sähkökiuan kelat, ovat melko hyvät arviot.
• Lämpösäteily: Kun materiaalin sisällä olevat hiukkaset liikkuvat lämpötilansa vuoksi, syntynyttä kineettistä energiaa voidaan kuvata järjestelmän kokonaislämpöenergiaksi. Mustakappalekohteen tapauksessa (katso yllä) lämpöenergia voidaan vapauttaa järjestelmästä sähkömagneettisen säteilyn muodossa.

Säteily, kuten voimme nähdä, on yksi maailmankaikkeuden perustekijöistä. Ilman sitä meillä ei olisi valoa, lämpöä, energiaa tai elämää.

Muokannut Carolyn Collins Petersen.