Stråling i rum og astronomi

Astronomi er studiet af objekter i universet, der udstråler (eller reflekterer) energi fra hele det elektromagnetiske spektrum. Astronomer studerer stråling fra alle objekter i universet. Lad os tage et dybtgående kig på formerne for stråling derude.

For at forstå universet fuldstændigt, skal forskere se på det på tværs af hele det elektromagnetiske spektrum. Dette inkluderer højenergipartikler såsom kosmiske stråler. Nogle genstande og processer er faktisk helt usynlige i bestemte bølgelængder (endda optiske), hvorfor astronomer ser på dem i mange bølgelængder. Noget usynligt ved en bølgelængde eller frekvens kan være meget lyst i en anden, og det fortæller forskere noget meget vigtigt om det.

Stråling beskriver elementære partikler, kerner og elektromagnetiske bølger, når de forplantes gennem rummet. Forskere refererer typisk til stråling på to måder: ioniserende og ikke-ioniserende.

Ionisering er den proces, hvorpå elektroner fjernes fra et atom. Dette sker hele tiden i naturen, og det kræver blot atomet kolliderer med en foton eller en partikel med nok energi til at begejse valgene. Når dette sker, kan atomet ikke længere opretholde sin binding til partiklen.

Visse former for stråling bærer nok energi til at ionisere forskellige atomer eller molekyler. De kan forårsage betydelig skade på biologiske enheder ved at forårsage kræft eller andre betydelige sundhedsmæssige problemer. Omfanget af strålingsskadene er et spørgsmål om, hvor meget stråling der blev optaget af organismen.

Minimumsgrænsen energi, der er nødvendig for stråling, kan betragtes som ioniserende er ca. 10 elektronvolt (10 eV). Der er flere former for stråling, der naturligt findes over denne tærskel:

• Gammastråler: Gamma-stråler (normalt betegnet med det græske bogstav γ) er en form for elektromagnetisk stråling. De repræsenterer de højeste energiformer af lys i universet. Gamma-stråler forekommer fra forskellige processer, der spænder fra aktivitet inde i nukleare reaktorer til stellare eksplosioner kaldet supernovaer og meget energiske begivenheder kendt som gamma-ray bursters. Da gammastråler er elektromagnetisk stråling, interagerer de ikke let med atomer, medmindre der sker en head-on-kollision. I dette tilfælde vil gammastrålen "henfalde" til et elektron-positron-par. Hvis en gammastråle absorberes af en biologisk enhed (f.eks. En person), kan der dog skades betydelig skade, da det tager en betydelig mængde energi at stoppe en sådan stråling. I denne forstand er gammastråler måske den farligste form for stråling for mennesker. Heldigvis, mens de kan trænge flere miles ind i vores atmosfære, før de interagerer med et atom, er vores atmosfære tyk nok til, at de fleste gammastråler absorberes, før de når jorden. Astronauter i rummet mangler dog beskyttelse mod dem og er begrænset til den mængde tid, de kan tilbringe "uden for" et rumfartøj eller en rumstation. Selvom meget høje doser af gammastråling kan være dødelig, er det mest sandsynlige resultat af gentagne eksponeringer for doser over gennemsnittet af gammastråler (som f.eks. astronauter oplever) er en øget risiko for Kræft. Dette er noget, som videnskabseksperter i verdens rumbureauer studerer nøje.
• Røntgenstråler: x-stråler er, ligesom gammastråler, en form for elektromagnetiske bølger (lys). De er normalt opdelt i to klasser: bløde røntgenstråler (dem med de længere bølgelængder) og hårde røntgenstråler (dem med de kortere bølgelængder). Jo kortere bølgelængde (dvs. hårdere røntgen) jo farligere er det. Derfor bruges røntgenstråler med lavere energi til medicinsk billeddannelse. Røntgenstrålerne vil typisk ionisere mindre atomer, mens større atomer kan absorbere strålingen, da de har større huller i deres ioniseringsenergier. Derfor er røntgenmaskiner billedet af ting som knogler (de er sammensat af tungere elementer), mens de er dårlige billeder af blødt væv (lettere elementer). Det anslås, at røntgenmaskiner og andre afledte enheder står for mellem 35-50% af den ioniserende stråling, som folk i USA oplever.
• Alfapartikler: En alfapartikel (betegnet med det græske bogstav α) består af to protoner og to neutroner; nøjagtigt den samme sammensætning som en heliumkerne. Fokus på alfa-henfaldsprocessen, der skaber dem, her er hvad der sker: alfa-partiklen er sprøjtes ud fra forældrekernen med meget høj hastighed (derfor høj energi), normalt over 5% af lysets hastighed. Nogle alfapartikler kommer til Jorden i form af kosmiske stråler og kan opnå hastigheder på over 10% af lysets hastighed. Generelt interagerer alfa-partikler imidlertid over meget korte afstande, så her på Jorden er alfa-partikelstråling ikke en direkte trussel mod livet. Det absorberes simpelthen af ​​vores ydre atmosfære. Dog det er en fare for astronauter.
• Betapartikler: Resultatet af beta-henfald, beta-partikler (normalt beskrevet af det græske bogstav Β) er energiske elektroner, der slipper ud, når en neutron nedbrydes til en proton, elektron og anti-neutrino. Disse elektroner er mere energiske end alfa-partikler, men mindre end højenergi-gammastråler. Normalt er betapartikler ikke bekymrende for menneskers sundhed, da de let er afskærmede. Kunstigt oprettede betapartikler (som i acceleratorer) kan penetrere huden lettere, da de har betydeligt højere energi. Nogle steder bruger disse partikelstråler til behandling af forskellige former for kræft på grund af deres evne til at målrette mod meget specifikke regioner. Tumoren skal dog være nær overfladen, da den ikke beskadiger betydelige mængder af sammenflettet væv.
• Neutronstråling: Meget højenergien neutroner dannes under nuklear fusion eller nuklear fission processer. De kan derefter optages af en atomkerne, hvilket får atomet til at gå i en ophidset tilstand, og det kan udsende gammastråler. Disse fotoner vil derefter begejstre atomerne omkring dem og skabe en kædereaktion, hvilket fører til, at området bliver radioaktivt. Dette er en af ​​de primære måder, hvorpå mennesker bliver såret, mens de arbejder omkring atomreaktorer uden ordentlig beskyttelsesudstyr.

Mens ioniserende stråling (ovenfor) får al pressen om at være skadelig for mennesker, kan ikke-ioniserende stråling også have betydelige biologiske virkninger. For eksempel kan ikke-ioniserende stråling forårsage ting som solskoldning. Alligevel er det det, vi bruger til at tilberede mad i mikrobølgeovne. Ikke-ioniserende stråling kan også komme i form af termisk stråling, der kan varme materiale (og dermed atomer) til høje nok temperaturer til at forårsage ionisering. Imidlertid betragtes denne proces som forskellig end kinetiske eller fotonioniseringsprocesser.

• Radiobølger: Radiobølger er den længste bølgelængde af elektromagnetisk stråling (lys). De spænder over 1 millimeter til 100 kilometer. Dette interval overlapper dog mikrobølgebåndet (se nedenfor). Radiobølger produceres naturligt af aktive galakser (specifikt fra området omkring deres supermassive sorte huller), pulsarer og i supernova rester. Men de er også skabt kunstigt til radio- og tv-transmission.
• Mikrobølger: Defineret som bølgelængder af lys mellem 1 mm og 1 meter (1.000 millimeter) betragtes mikrobølger undertiden for at være en undergruppe af radiobølger. Faktisk er radioastronomi generelt studiet af mikrobølgebåndet, da længere bølgelængdestråling er meget vanskeligt at detektere, da det ville kræve detektorer af enorm størrelse; derfor kun et par kigge ud over bølgelængden på 1 meter. Selvom det ikke er ioniserende, kan mikrobølger stadig være farlige for mennesker, da det kan overføre en stor mængde termisk energi til en vare på grund af dens interaktion med vand og vanddamp. (Dette er også grunden til, at mikrobølgeobservatorier typisk placeres på høje, tørre steder på Jorden for at mindske mængden af ​​interferens, som vanddamp i vores atmosfære kan forårsage for eksperimentet.
• Infrarød stråling: Infrarød stråling er båndet af elektromagnetisk stråling, der optager bølgelængder mellem 0,74 mikrometer op til 300 mikrometer. (Der er 1 million mikrometer i en meter.) Infrarød stråling er meget tæt på optisk lys, og derfor bruges meget lignende teknikker til at studere det. Der er dog nogle vanskeligheder at overvinde; nemlig infrarødt lys produceres af genstande, der kan sammenlignes med "stuetemperatur". Da elektronik, der bruges til at drive og styre infrarøde teleskoper, kører ved sådanne temperaturer, afgiver instrumenterne selv infrarødt lys, hvilket forstyrrer dataindsamlingen. Derfor køles instrumenterne ved hjælp af flydende helium for at mindske fremmede infrarøde fotoner fra at komme ind i detektoren. Det meste af hvad solen udsender der når Jordens overflade er faktisk infrarødt lys, med den synlige stråling ikke langt bagefter (og ultraviolet en fjern tredjedel).

• Synligt (optisk) lys: Bølgelængderne for synligt lys er 380 nanometer (nm) og 740 nm. Dette er den elektromagnetiske stråling, som vi er i stand til at registrere med vores egne øjne, alle andre former er usynlige for os uden elektroniske hjælpemidler. Synligt lys er faktisk kun en meget lille del af det elektromagnetiske spektrum, hvorfor det er vigtigt at studere alle andre bølgelængder i astronomi for at få et komplet billede af univers og at forstå de fysiske mekanismer, der styrer de himmelske kroppe.
• Blackbody Stråling: En sort krop er et objekt, der udsender elektromagnetisk stråling, når det opvarmes, den maksimale bølgelængde af det producerede lys vil være proportionalt med temperaturen (dette kaldes Wiens lov). Der er ikke sådan noget som et perfekt sort legeme, men mange genstande som vores Sol, Jorden og spolerne på din elektriske komfur er temmelig gode tilnærmelser.
• Termisk strålingNår partikler inde i et materiale bevæger sig på grund af deres temperatur, kan den resulterende kinetiske energi beskrives som systemets samlede termiske energi. I tilfælde af et sortkropsobjekt (se ovenfor) kan den termiske energi frigøres fra systemet i form af elektromagnetisk stråling.

Stråling er, som vi kan se, en af ​​de grundlæggende aspekter af universet. Uden det ville vi ikke have lys, varme, energi eller liv.

Redigeret af Carolyn Collins Petersen.