Strålning i rymden och astronomi

Astronomi är studien av objekt i universum som strålar (eller reflekterar) energi från hela det elektromagnetiska spektrumet. Astronomer studerar strålning från alla objekt i universum. Låt oss ta en djupgående titt på strålningsformerna där ute.

För att fullständigt förstå universum måste forskare titta på det över hela det elektromagnetiska spektrumet. Detta inkluderar högenergipartiklar som kosmiska strålar. Vissa föremål och processer är faktiskt helt osynliga i vissa våglängder (till och med optiska), varför astronomer tittar på dem i många våglängder. Något osynligt vid en våglängd eller frekvens kan vara mycket ljust i en annan, och det berättar för forskare något mycket viktigt om det.

Strålning beskriver elementära partiklar, kärnor och elektromagnetiska vågor när de sprider sig genom rymden. Forskare refererar vanligtvis till strålning på två sätt: joniserande och icke-joniserande.

Ionisering är den process genom vilken elektroner tas bort från en atom. Detta händer hela tiden i naturen, och det kräver bara atomen kolliderar med en foton eller en partikel med tillräckligt med energi för att väcka valet. När detta händer kan atomen inte längre bibehålla sin bindning till partikeln.

Vissa strålningsformer har tillräckligt med energi för att jonisera olika atomer eller molekyler. De kan orsaka betydande skador på biologiska enheter genom att orsaka cancer eller andra betydande hälsoproblem. Omfattningen av strålskadorna är en fråga om hur mycket strålning som absorberades av organismen.

Minsta tröskel energi som behövs för att strålning ska anses joniserande är cirka 10 elektronvolt (10 eV). Det finns flera former av strålning som naturligt finns över denna tröskel:

• GAMMASTRÅLAR: Gamma-strålar (vanligtvis betecknad med den grekiska bokstaven γ) är en form av elektromagnetisk strålning. De representerar de högsta energiformerna av ljus i universum. Gamma-strålar uppstår från en mängd olika processer, allt från aktivitet inuti kärnreaktorer till stellar explosioner som kallas supernovor och mycket energiska händelser kända som gamma-ray bursters. Eftersom gammastrålar är elektromagnetisk strålning, interagerar de inte lätt med atomer såvida inte en motsatt kollision uppstår. I detta fall "gammastrålen" "förfaller" till ett elektron-positron par. Om en gammastråle absorberas av en biologisk enhet (t.ex. en person), kan emellertid betydande skador göras eftersom det kräver en avsevärd mängd energi för att stoppa sådan strålning. I denna mening är gammastrålar kanske den farligaste formen för strålning för människor. Lyckligtvis, medan de kan tränga in flera mil i vår atmosfär innan de interagerar med en atom, är vår atmosfär tillräckligt tjock att de flesta gammastrålar absorberas innan de når marken. Astronauter i rymden saknar emellertid skydd mot dem och är begränsade till den tid som de kan spendera "utanför" ett rymdskepp eller rymdstation. Även om mycket höga doser av gammastrålning kan vara dödliga, är det mest troliga resultatet till upprepade exponeringar för doser över genomsnittet av gammastrålar (som t.ex. astronauterna) är en ökad risk för cancer. Detta är något som experter inom biovetenskap i världens rymdbyråer studerar noggrant.
• Röntgenstrålar: röntgenstrålar är, som gammastrålar, en form av elektromagnetiska vågor (ljus). De delas vanligtvis upp i två klasser: mjuka röntgenstrålar (de med längre våglängder) och hårda röntgenstrålar (de med kortare våglängder). Ju kortare våglängden (dvs hårdare röntgen) desto farligare är det. Det är därför röntgenstrålar med lägre energi används vid medicinsk avbildning. Röntgenstrålarna kommer vanligtvis att jonisera mindre atomer, medan större atomer kan absorbera strålningen eftersom de har större luckor i sina joniseringsenergier. Det är därför röntgenmaskiner kommer att bilda saker som ben mycket bra (de består av tyngre element) medan de är dåliga bilder av mjukvävnad (lättare element). Det uppskattas att röntgenmaskiner och andra derivatanordningar står för mellan 35-50% av den joniserande strålningen som människor i USA upplever.
• Alfapartiklar: En alfapartikel (betecknad med den grekiska bokstaven α) består av två protoner och två neutroner; exakt samma sammansättning som en heliumkärna. Fokusera på alfaförlustprocessen som skapar dem, här är vad som händer: alfapartikeln är matas ut från moderkärnan med mycket hög hastighet (därför hög energi), vanligtvis över 5% av ljusets hastighet. Vissa alfapartiklar kommer till jorden i form av kosmiska strålar och kan uppnå hastigheter som överstiger 10% av ljusets hastighet. I allmänhet samverkar dock alfapartiklar över mycket korta avstånd, så här på jorden är alfapartikelstrålning inte ett direkt hot mot livet. Det absorberas helt enkelt av vår yttre atmosfär. Men det är en fara för astronauter.
• Betapartiklar: Resultatet av beta-sönderfall, betapartiklar (vanligtvis beskrivet av den grekiska bokstaven Β) är energiska elektroner som slipper ut när en neutron sönderfaller i en proton, elektron och anti-neutrino. Dessa elektroner är mer energiska än alfapartiklar men mindre än högstrålnings-gammastrålar. Normalt är betapartiklar inte av oro för människors hälsa eftersom de är lätt skyddade. Konstgjorda betapartiklar (som i acceleratorer) kan penetrera huden lättare eftersom de har avsevärt högre energi. Vissa platser använder dessa partikelstrålar för att behandla olika typer av cancer på grund av deras förmåga att rikta in sig på mycket specifika regioner. Tumören måste emellertid vara nära ytan för att inte skada betydande mängder ispedd vävnad.
• Neutronstrålning: Mycket högenergin neutroner skapas under kärnfusion eller kärnklyvningsprocesser. De kan sedan absorberas av en atomkärna, vilket gör att atomen går in i ett upphetsat tillstånd och den kan avge gammastrålar. Dessa fotoner kommer sedan att väcka atomerna runt dem och skapa en kedjereaktion, vilket leder till att området blir radioaktivt. Detta är ett av de främsta sätten att människor skadas när de arbetar runt kärnreaktorer utan korrekt skyddsutrustning.

Medan joniserande strålning (ovan) får all press om att vara skadligt för människor, kan icke-joniserande strålning också ha betydande biologiska effekter. Till exempel kan icke-joniserande strålning orsaka saker som solbränna. Ändå är det vad vi använder för att laga mat i mikrovågsugnar. Icke-joniserande strålning kan också komma i form av termisk strålning, som kan värma material (och därmed atomer) till tillräckligt höga temperaturer för att orsaka jonisering. Emellertid anses denna process vara annorlunda än kinetiska eller fotonjoniseringsprocesser.

• Radiovågor: Radiovågor är den längsta våglängdsformen av elektromagnetisk strålning (ljus). De sträcker sig från 1 millimeter till 100 kilometer. Detta intervall överlappar emellertid mikrovågsbandet (se nedan). Radiovågor produceras naturligt av aktiva galaxer (särskilt från området runt deras supermassiva svarta hål), pulsarer och i supernovarester. Men de skapas också konstgjort för radio- och TV-sändning.
• mikrovågsugnar: Definieras som våglängder för ljus mellan 1 millimeter och 1 meter (1 000 millimeter), anses mikrovågor ibland vara en delmängd av radiovågor. I själva verket är radioastronomi i allmänhet studiet av mikrovågsbandet, eftersom längre våglängdsstrålning är mycket svårt att upptäcka eftersom det skulle kräva detektorer av enorm storlek; därmed bara några få kamrater bortom 1 meters våglängd. Även om det inte är joniserande kan mikrovågor fortfarande vara farliga för människor eftersom det kan ge en stor mängd termisk energi till ett föremål på grund av dess interaktion med vatten och vattenånga. (Detta är också anledningen till att mikrovågsobservatorier vanligtvis placeras på höga, torra platser på jorden för att minska mängden störningar som vattenånga i vår atmosfär kan orsaka för experimentet.
• Infraröd strålning: Infraröd strålning är bandet av elektromagnetisk strålning som upptar våglängder mellan 0,74 mikrometer upp till 300 mikrometer. (Det finns 1 miljon mikrometer på en meter.) Infraröd strålning är mycket nära optiskt ljus, och därför används mycket liknande tekniker för att studera den. Det finns emellertid vissa svårigheter att övervinna; nämligen infrarött ljus produceras av föremål som är jämförbara med "rumstemperatur". Eftersom elektronik som används för att driva och styra infraröda teleskop kommer att köras vid sådana temperaturer, kommer instrumenten själva att avge infrarött ljus, vilket stör datainsamlingen. Därför kyls instrumenten med flytande helium för att minska främmande infraröda fotoner från att komma in i detektorn. Det mesta av vad solen avger som når jordens yta är faktiskt infrarött ljus, med den synliga strålningen inte långt bakom (och ultraviolett en avlägsen tredjedel).

• Synligt (optiskt) ljus: Området för våglängder för synligt ljus är 380 nanometer (nm) och 740 nm. Detta är den elektromagnetiska strålningen som vi kan upptäcka med våra egna ögon, alla andra former är osynliga för oss utan elektroniska hjälpmedel. Synligt ljus är faktiskt bara en mycket liten del av det elektromagnetiska spektrumet, varför det är viktigt att studera alla andra våglängder inom astronomin för att få en fullständig bild av universum och att förstå de fysiska mekanismerna som styr de himmelska kropparna.
• Strålning av Blackbody: En svartkropp är ett föremål som avger elektromagnetisk strålning när den värms, den maximala våglängden hos det producerade ljuset kommer att stå i proportion till temperaturen (detta kallas Wiens lag). Det finns inget sådant som en perfekt svartkropp, men många objekt som vår sol, jorden och spolarna på din elektriska spis är ganska bra approximationer.
• Värmestrålning: När partiklar inuti ett material rör sig på grund av deras temperatur kan den resulterande kinetiska energin beskrivas som systemets totala termiska energi. När det gäller ett svartkroppsobjekt (se ovan) kan den termiska energin frigöras från systemet i form av elektromagnetisk strålning.

Strålning är, som vi ser, en av de grundläggande aspekterna av universum. Utan det skulle vi inte ha ljus, värme, energi eller liv.

Redigerad av Carolyn Collins Petersen.