Излъчване в космоса и астрономията

Астрономията е изследване на обекти във Вселената, които излъчват (или отразяват) енергия от целия електромагнитен спектър. Астрономите изучават радиацията от всички обекти във Вселената. Нека разгледаме задълбочено формите на радиация там.

За да разберат напълно Вселената, учените трябва да я разгледат в целия електромагнитен спектър. Това включва високоенергийните частици като космическите лъчи. Някои обекти и процеси всъщност са напълно невидими при определени дължини на вълните (дори оптични), поради което астрономите ги гледат на много дължини на вълните. Нещо невидимо при една дължина на вълната или честота може да е много ярко в друга и това казва на учените нещо много важно за него.

Излъчването описва елементарни частици, ядра и електромагнитни вълни, докато се разпространяват в пространството. Учените обикновено реферират радиацията по два начина: йонизираща и нейонизираща.

Йонизацията е процесът, чрез който електроните се отстраняват от атом. Това се случва непрекъснато в природата и просто се изисква атомът да се сблъска с фотон или частица с достатъчно енергия, за да възбуди изборите. Когато това се случи, атомът вече не може да поддържа връзката си с частицата.

Определени форми на излъчване носят достатъчно енергия за йонизиране на различни атоми или молекули. Те могат да причинят значителна вреда на биологичните образувания, причинявайки рак или други значими здравословни проблеми. Степента на радиационното увреждане е въпрос на това колко радиация е погълната от организма.

Минималният праг енергия, необходима за радиация, за да се счита за йонизираща е около 10 електронни волта (10 eV). Има няколко форми на радиация, които естествено съществуват над този праг:

• Гама лъчи: Гама лъчи (обикновено обозначени с гръцката буква γ) са форма на електромагнитно излъчване. Те представляват най-високите енергийни форми на светлината в Вселената. Гама лъчите възникват от различни процеси, вариращи от активност в ядрените реактори до звездни експлозии супернови и силно енергични събития, известни като гама-лъчи. Тъй като гама лъчите са електромагнитно излъчване, те не взаимодействат лесно с атомите, освен ако не се стигне до челен сблъсък. В този случай гама лъчът ще "разпадне" в двойка електрон-позитрон. Ако обаче гама лъч се абсорбира от биологично образувание (напр. Човек), тогава може да се нанесе значителна вреда, тъй като е необходимо значително количество енергия за спиране на такова излъчване. В този смисъл гама лъчите са може би най-опасната форма на радиация за хората. За щастие, докато те могат да проникнат на няколко мили в атмосферата ни, преди да взаимодействат с атом, нашата атмосфера е достатъчно плътна, че повечето гама лъчи се абсорбират, преди да стигнат до земята. Въпреки това, астронавтите в космоса нямат защита от тях и са ограничени до времето, което могат да прекарат „извън“ космически кораб или космическа станция. Въпреки че много високите дози гама радиация могат да бъдат фатални, най-вероятният резултат от повторното излагане на над средните дози гама-лъчи (като тези, които опитват астронавтите например) е повишен риск от рак. Това е, което експерти от науките за живота в световните космически агенции изучават отблизо.
• Рентгенови лъчи: рентгеновите лъчи са като гама лъчи форма на електромагнитни вълни (светлина). Обикновено се разделят на два класа: меки рентгенови лъчи (тези с по-дългите дължини на вълната) и твърди рентгенови лъчи (тези с по-късите дължини на вълната). Колкото по-къса е дължината на вълната (т.е. по-трудно рентгеновата) толкова по-опасна е. Ето защо рентгеновете с по-ниска енергия се използват при медицински изображения. Рентгеновите лъчи обикновено йонизират по-малки атоми, докато по-големите атоми могат да поемат радиацията, тъй като имат по-големи пропуски в своите йонизационни енергии. Ето защо рентгеновите апарати ще изобразяват неща като кости много добре (те са съставени от по-тежки елементи), докато са бедни изображения на мека тъкан (по-леки елементи). Изчислено е, че рентгеновите апарати и други производни устройства представляват сметка между 35-50% на йонизиращото лъчение, изпитвано от хората в Съединените щати.
• Алфа частици: Алфа-частица (обозначена с гръцката буква α) се състои от два протона и два неутрона; точно същия състав като ядрото на хелий. Фокусирайки се върху процеса на разпадане на алфа, който ги създава, ето какво се случва: алфа частицата е изхвърлени от родителското ядро ​​с много висока скорост (следователно висока енергия), обикновено над 5% от скоростта на светлината. Някои алфа частици идват на Земята под формата на космически лъчи и може да постигне скорост над 10% от скоростта на светлината. Като цяло обаче алфа-частиците взаимодействат на много къси разстояния, така че тук на Земята излъчването на алфа-частици не е пряка заплаха за живота. Той просто се поглъща от нашата външна атмосфера. Въпреки това е опасност за астронавтите.
• Бета частици: Резултатът от бета разпадането, бета частиците (обикновено се описват с гръцката буква Β) са енергийни електрони, които избягват, когато неутрон се разпадне в протона, електрона и анти-неутрино. Тези електрони са по-енергични от алфа частиците, но по-малко от високо енергийните гама лъчи. Обикновено бета частиците не представляват загриженост за човешкото здраве, тъй като лесно се защитават. Изкуствено създадените бета частици (като ускорителите) могат да проникнат през кожата по-лесно, тъй като имат значително по-висока енергия. Някои места използват тези лъчи от частици за лечение на различни видове рак поради способността им да се насочват към много специфични региони. Въпреки това, туморът трябва да бъде близо до повърхността, за да не повреди значителни количества пресечена тъкан.
• Неутронно излъчване: По време на ядрен синтез или ядрен делене се създават много високоенергийни неутрони. След това те могат да бъдат погълнати от атомно ядро, което кара атома да премине във възбудено състояние и той може да излъчва гама-лъчи. След това тези фотони ще възбудят атомите около тях, създавайки верижна реакция, водеща до зоната да стане радиоактивна. Това е един от основните начини, по които хората са ранени, докато работят около ядрени реактори без подходящо защитно съоръжение.

Докато йонизиращото лъчение (по-горе) получава цялата преса за това, че е вредно за хората, нейонизиращото лъчение може също да има значителни биологични ефекти. Например нейонизиращото лъчение може да причини неща като слънчеви изгаряния. И все пак, това е, което използваме за готвене на храна в микровълнови фурни. Нейонизиращото лъчение може да дойде и под формата на топлинно излъчване, което може да нагрее материал (и следователно атоми) до достатъчно високи температури, за да предизвика йонизация. Този процес обаче се счита за различен от процесите на кинетична или фотонна йонизация.

• Радио вълни: Радио вълните са най-дългата дължина на вълната на електромагнитното излъчване (светлина). Те обхващат 1 милиметър до 100 километра. Този диапазон обаче се припокрива с микровълновата лента (виж по-долу). Радио вълните се произвеждат естествено от активни галактики (конкретно от района около тяхната супермасивни черни дупки), пулсари и в остатъци от свръхнови. Но те са създадени и изкуствено за целите на радио и телевизионно предаване.
• микровълни: Определени като дължини на вълните на светлината между 1 милиметър и 1 метър (1000 милиметра), микровълните понякога се считат за подмножество от радиовълни. Всъщност радиоастрономията обикновено е изследването на микровълновата лента, тъй като излъчването на по-дълги вълни е много трудно да се открие, тъй като ще изисква детектори с огромни размери; следователно само няколко връстници над 1-метровата дължина на вълната. Въпреки че не са йонизиращи, микровълните все още могат да бъдат опасни за хората, тъй като могат да предадат голямо количество топлинна енергия на даден елемент поради взаимодействието му с вода и водни пари. (Ето защо микровълновите обсерватории обикновено се поставят на високи и сухи места на Земята, за да се намали количеството на смущения, които водните пари в нашата атмосфера могат да причинят на експеримента.
• Инфрачервено излъчване: Инфрачервеното излъчване е диапазонът на електромагнитното излъчване, който заема дължини на вълната между 0,74 микрометра до 300 микрометра. (В един метър има 1 милион микрометра.) Инфрачервеното лъчение е много близко до оптичната светлина и затова се използват много подобни техники за изследването му. Въпреки това има някои трудности за преодоляване; а именно инфрачервената светлина се произвежда от обекти, сравними с "стайна температура". Тъй като електрониката, използвана за захранване и контрол на инфрачервените телескопи, ще работи при такива температури, самите инструменти ще излъчват инфрачервена светлина, пречи на събирането на данни. Следователно инструментите се охлаждат с помощта на течен хелий, за да се намалят навлизането на външни инфрачервени фотони в детектора. Повечето от какво слънцето излъчванията, които достигат земната повърхност, всъщност са инфрачервена светлина, като видимото лъчение не е далеч назад (а ултравиолетовата е далечна трета).

• Видима (оптична) светлина: Обхватът на дължините на вълните на видимата светлина е 380 нанометра (nm) и 740 nm. Това е електромагнитното излъчване, което сме в състояние да открием със собствените си очи, всички други форми са невидими за нас без електронни помощни средства. Видимата светлина всъщност е само много малка част от електромагнитния спектър, поради което е важно да се проучат всички други дължини на вълните в астрономията, за да се получи пълна картина на вселена и да разберем физическите механизми, които управляват небесните тела.
• Излъчване на черно тяло: Черното тяло е обект, който излъчва електромагнитно излъчване, когато се нагрява, дължината на пиковата вълна на произведената светлина ще бъде пропорционална на температурата (това е известно като Закон на Виен). Няма такова нещо като перфектно черно тяло, но много предмети като нашето Слънце, Земята и бобините на вашата електрическа печка са доста добри приближения.
• Топлинно излъчване: Като частици вътре в материала се движат поради температурата им, получената кинетична енергия може да бъде описана като обща топлинна енергия на системата. В случай на обект с черно тяло (виж по-горе) топлинната енергия може да се освободи от системата под формата на електромагнитно излъчване.

Излъчването, както виждаме, е един от основните аспекти на Вселената. Без него нямаше да имаме светлина, топлина, енергия или живот.

Редактиран от Каролин Колинс Петерсен.