Зрачење у свемиру и астрономији

Астрономија је проучавање објеката у свемиру који зраче (или одражавају) енергију из читавог електромагнетног спектра. Астрономи проучавају зрачење из свих објеката у свемиру. Погледајмо дубље облике зрачења вани.

Да би потпуно разумели свемир, научници га морају гледати кроз цео електромагнетни спектар. То укључује честице високе енергије попут космичких зрака. Неки су предмети и процеси потпуно невидљиви у одређеним таласним дужинама (чак и оптичким), због чега их астрономи гледају у многим таласним дужинама. Нешто невидљиво на једној таласној дужини или фреквенцији може бити сјајно у другом, а то научницима говори нешто веома важно у вези с тим.

Зрачење описује елементарне честице, језгре и електромагнетне таласе док се шире кроз свемир. Научници обично референтно зрачење показују на два начина: јонизујућим и нејонизујућим.

Ионизација је процес којим се електрони уклањају из атома. То се стално дешава у природи, и само је потребно да се атом судара са фотоном или честицом са довољно енергије да потакне изборе. Кад се то догоди, атом више не може одржавати своју везу са честицом.

Одређени облици зрачења носе довољно енергије да ионизују различите атоме или молекуле. Они могу нанијети значајну штету биолошким ентитетима узрокујући рак или друге значајне здравствене проблеме. Степен оштећења од зрачења је питање колико зрачења апсорбује организам.

Минимални праг енергија потребна за зрачење сматра се јонизујућом износи око 10 електронских волти (10 еВ). Постоји неколико облика зрачења који природно постоје изнад овог прага:

• Гама зраци: Гама зраци (обично означена грчким словом γ) су облик електромагнетног зрачења. Они представљају највише енергетске форме светлости у универзум. Гама зраци настају у разним процесима, у распону од активности унутар нуклеарних реактора до звјезданих експлозија супернове и високоенергетски догађаји познати као гама-расијачи. Пошто су гама зраци електромагнетно зрачење, они не делују лако са атомима осим ако се не догоди чеони удар. У овом случају гама зрака ће „пропадати“ у пар електрона-позитрона. Међутим, ако биолошки ентитет (нпр. Особа) апсорбује гама зраке, тада се може учинити значајна штета јер је потребна велика количина енергије да се такво зрачење заустави. У том смислу гама зраци су можда најопаснији облик зрачења за људе. Срећом, иако могу пробити неколико километара у нашу атмосферу пре него што ступе у интеракцију са атомом, наша атмосфера је довољно густа да се већина гама зрака апсорбује пре него што дођу до земље. Међутим, астронаути у свемиру немају заштиту од њих и ограничени су на време које могу провести „изван“ свемирске летелице или свемирске станице. Иако врло високе дозе гама зрачења могу бити погубне, највјероватнији исход понављаним излагањем изнадпросечне дозе гама-зрака (попут оних које доживљавају астронаути, на пример) је повећан ризик од рак. То детаљно проучавају стручњаци за науку о животу у светским свемирским агенцијама.
• Кс-зраци: к-зраци су, попут гама зрака, облик електромагнетних таласа (светлост). Обично се деле на две класе: меке рендгенске зраке (оне са већом таласном дужином) и тврде рендгенске зраке (оне са краћим таласним дужинама). Краћа је таласна дужина (тј теже рендгенски снимак) то је опасније. Због тога се рендгенске зраке ниже енергије користе у медицинском снимању. Рендгенски зраци обично ионизирају мање атоме, док већи атоми могу апсорбирати радијацију јер имају веће празнине у њиховим енергијама ионизације. Због тога ће рендгенске машине врло добро сликати ствари попут костију (састављене су од тежих елемената) док су лоши снимци меког ткива (лакши елементи). Процењује се да рентгенски апарати и други изведени уређаји узимају у обзир између 35-50% јонизујућег зрачења људи у Сједињеним Државама.
• Алфа честице: Алфа честица (означена грчким словом α) састоји се од два протона и два неутрона; потпуно исти састав као и језгро хелија. Усредсређивање на процес распадања алфа који их ствара, ево шта се дешава: алфа честица је избачени из матичног језгра врло великом брзином (дакле, великом енергијом), обично вишом од 5% од брзина светлости. Неке алфа честице долазе на Земљу у облику космички зраци и могу да постигну брзину већу од 10% брзине светлости. Међутим, генерално, алфа честице делују на врло кратким растојањима, тако да овде на Земљи, зрачење честица алфа није директна опасност за живот. Једноставно га апсорбује наша спољна атмосфера. Међутим, то је опасност за астронауте.
• Бета честице: Резултат бета распада, бета честице (које се обично описују грчким словом Β) су енергетски електрони који избацују када неутрон пропадне у протон, електрон и анти-неутрино. Ови електрони су енергичнији од алфа честица, али мање од гама зрака високе енергије. Нормално, бета честице нису битне за здравље људи, јер се лако заштите. Вештачки створене бета честице (попут акцелератора) могу лакше да продиру у кожу јер имају знатно већу енергију. Нека места користе ове зраке честица за лечење различитих врста карцинома због њихове способности да циљају веома специфичне регионе. Међутим, тумор мора бити близу површине да не оштети значајне количине испреплетеног ткива.
• Неутронско зрачење: Веома високоенергетски неутрони настају током процеса нуклеарне фузије или нуклеарне фисије. Затим их може апсорбовати атомско језгро, узрокујући да атом пређе у побуђено стање и може да емитује гама-зраке. Ови фотони ће тада побуђивати атоме око себе, стварајући ланчану реакцију, водећи ка томе да подручје постаје радиоактивно. Ово је један од основних начина на који су људи повређени док раде око нуклеарних реактора без одговарајуће заштитне опреме.

Иако јонизујуће зрачење (горе) ствара сву претрес о штетности за људе, нејонизујуће зрачење такође може имати значајне биолошке ефекте. На примјер, нејонизујуће зрачење може изазвати ствари попут опекотина од сунца. Ипак, то је оно што користимо за кување хране у микроталасним рернама. Нејонизујуће зрачење такође може доћи у облику топлотног зрачења, које може загрејати материјал (а тиме и атоме) до довољно високих температура да проузрокује јонизацију. Међутим, овај се поступак сматра другачијим од процеса кинетичке или фотонске јонизације.

• Радио таласи: Радио таласи су најдужи таласни облик електромагнетног зрачења (светлост). Они се протежу од милиметра до 100 километара. Овај се распон, међутим, преклапа са микроталасним опсегом (види доле). Радио таласе природно производи активне галаксије (тачније из подручја око њих супермасивне црне рупе), пулсари а у остаци супернове. Али оне су такође створене вештачки за потребе преноса радија и телевизије.
• Микроталаси: Дефинисане као таласне дужине светлости између 1 милиметра и 1 метра (1.000 милиметара), микроталаси се понекад сматрају подскупином радио таласа. Заправо, радиоастрономија је обично проучавање микроталасног опсега, јер је зрачење дуже таласне дужине веома тешко открити јер би било потребно детекторима огромне величине; отуда само неколико вршњака изнад таласне дужине од 1 метра. Иако неионизирајуће, микроталаси и даље могу бити опасни за људе, јер могу да дају велику количину топлотне енергије неком предмету због интеракције са водом и воденом паром. (Ово је и разлог зашто се микроталасне опсерваторије постављају на високим, сувим местима на Земљи, како би се смањила количина сметњи које водена пара у нашој атмосфери може изазвати експерименту.
• Инфрацрвено зрачење: Инфрацрвено зрачење је опсег електромагнетног зрачења који заузима таласне дужине између 0,74 микрометра до 300 микрометара. (Постоји један милион микрометара на једном метру.) Инфрацрвено зрачење је врло близу оптичкој светлости, па се зато проучавају врло сличне технике. Међутим, постоје неке потешкоће за превазилажење; наиме, инфрацрвена светлост производи се објектима који су упоредиви са "собном температуром". Будући да ће електроника која се користи за напајање и контролу инфрацрвених телескопа радити на таквим температурама, сами инструменти ће испуштати инфрацрвено светло, ометајући прикупљање података. Због тога се инструменти хладе помоћу течног хелијума, како би се смањили улазак вањских инфрацрвених фотона у детектор. Већину свега сунце емитира који досеже Земљину површину заправо је инфрацрвена светлост, при чему је видљиво зрачење недалеко (а ултраљубичасто удаљена трећина).

• Видљива (оптичка) светлост: Распон таласних дужина видљиве светлости је 380 нанометара (нм) и 740 нм. Ово је електромагнетно зрачење које смо у стању да детектујемо својим очима, а сви други облици су нам невидљиви без електронских помагала. Видљива светлост је заправо само врло мали део електромагнетног спектра, због чега је важно проучити све остале таласне дужине у астрономији како бисте добили потпуну слику универзум и да разумеју физичке механизме који управљају небеским телима.
• Блацкбоди Радиатион: Црно тело је предмет који емитује електромагнетно зрачење када се загрева, вршна таласна дужина светлости која је произведена биће пропорционална температури (ово је познато као Виен'с закон). То не постоји као савршено црно тело, али многи предмети попут нашег Сунца, Земље и завојнице на вашем електричном штедњаку су прилично добра приближна размишљања.
• Термално зрачење: Како се честице унутар материјала крећу услед њихове температуре, резултирајућа кинетичка енергија може се описати као укупна топлотна енергија система. У случају објекта црног тела (види горе), топлотна енергија се може ослобађати из система у облику електромагнетног зрачења.

Зрачење, као што видимо, је један од основних аспеката универзума. Без њега не бисмо имали светлост, топлоту, енергију или живот.

Уредио Царолин Цоллинс Петерсен.