Žiarenie vo vesmíre dáva informácie o vesmíre

Vzorka ďalekohľadov (v prevádzke od februára 2013) na vlnových dĺžkach v celom elektromagnetickom spektre. Niekoľko z týchto observatórií pozoruje viac ako jeden pás EM spektra. NASA

Astronómia je štúdium objektov vo vesmíre, ktoré vyžarujú (alebo odrážajú) energiu z celého elektromagnetického spektra. Astronómovia študujú žiarenie zo všetkých objektov vo vesmíre. Pozrime sa do hĺbky na formy žiarenia tam vonku.

Umelecké dielo planéty obiehajúcej okolo pulzaru. Pulzary sú veľmi rýchlo rotujúce neutrónové hviezdy, ktoré sú mŕtvymi jadrami masívnych hviezd a rotujú okolo svojich osí často stokrát za sekundu. Vyžarujú rádiové vlny a v optickom svetle. Mark Garlick/Science Photo Library (Getty Images)

Význam pre astronómiu

Aby vedci úplne pochopili vesmír, musia sa naň pozrieť cez celé elektromagnetické spektrum. To zahŕňa vysokoenergetické častice, ako je kozmické žiarenie. Niektoré objekty a procesy sú v určitých vlnových dĺžkach (dokonca aj optických) v skutočnosti úplne neviditeľné, a preto sa na ne astronómovia pozerajú v mnohých vlnových dĺžkach. Niečo neviditeľné na jednej vlnovej dĺžke alebo frekvencii môže byť na inej veľmi jasné a to vedcom hovorí niečo veľmi dôležité.

Druhy žiarenia

Žiarenie popisuje elementárne častice, jadrá a elektromagnetické vlny pri ich šírení priestorom. Vedci zvyčajne odkazujú na žiarenie dvoma spôsobmi: ionizujúcim a neionizujúcim.

Ionizujúce žiarenie

Ionizácia je proces, pri ktorom sa z atómu odstraňujú elektróny. Toto sa v prírode deje neustále a vyžaduje to len, aby sa atóm zrazil s fotónom alebo časticou s dostatočnou energiou na vybudenie voľby (volieb). Keď sa to stane, atóm už nemôže udržať svoju väzbu na časticu.

Určité formy žiarenia nesú dostatok energie na ionizáciu rôznych atómov alebo molekúl. Môžu spôsobiť značné škody biologickým entitám spôsobením rakoviny alebo iných závažných zdravotných problémov. Rozsah radiačného poškodenia závisí od toho, koľko žiarenia organizmus absorboval.

Elektromagnetické spektrum sa zobrazuje ako funkcia frekvencie/vlnovej dĺžky a teploty. Röntgenové observatórium Chandra

Minimálny prah energiu potrebnú na to, aby sa žiarenie považovalo za ionizujúce je asi 10 elektrónvoltov (10 eV). Existuje niekoľko foriem žiarenia, ktoré prirodzene existujú nad touto hranicou:

• Gama-lúče : Gama lúče (zvyčajne označené gréckym písmenom γ) sú formou elektromagnetického žiarenia. Predstavujú formy svetla s najvyššou energiou vesmír . Gama lúče vznikajú z rôznych procesov, od aktivity vo vnútri jadrových reaktorov až po hviezdne explózie tzv. supernovy a vysoko energetické udalosti známe ako záblesky gama žiarenia. Keďže gama lúče sú elektromagnetické žiarenie, nereagujú ľahko s atómami, pokiaľ nedôjde k čelnej zrážke. V tomto prípade sa gama lúče „rozpadnú“ na elektrón-pozitrónový pár. Ak by však biologická entita (napr. osoba) pohltila gama žiarenie, môže to spôsobiť značné škody, pretože na zastavenie takéhoto žiarenia je potrebné značné množstvo energie. V tomto zmysle sú gama lúče azda najnebezpečnejšou formou žiarenia pre ľudí. Našťastie, kým môžu preniknúť niekoľko kilometrov do našej atmosféry predtým, ako interagujú s atómom, naša atmosféra je dostatočne hustá, že väčšina gama lúčov je absorbovaná skôr, ako sa dostanú na zem. Astronauti vo vesmíre však pred nimi nemajú ochranu a sú obmedzení na čas, ktorý môžu stráviť „mimo“ kozmickej lode alebo vesmírnej stanice. Aj keď veľmi vysoké dávky gama žiarenia môžu byť smrteľné, najpravdepodobnejším výsledkom opakovaného vystavenia sa nadpriemerným dávkam gama žiarenia (ako napríklad tým, ktoré zažili astronauti) je zvýšené riziko rakoviny. To je niečo, čo odborníci na vedy o živote vo svetových vesmírnych agentúrach podrobne študujú.
röntgenové lúče: röntgenové lúče sú podobne ako gama lúče formou elektromagnetických vĺn (svetla). Zvyčajne sú rozdelené do dvoch tried: mäkké röntgenové lúče (tie s dlhšími vlnovými dĺžkami) a tvrdé röntgenové lúče (tie s kratšími vlnovými dĺžkami). Čím je vlnová dĺžka kratšia (t.j ťažšie röntgen), tým je nebezpečnejší. To je dôvod, prečo sa pri medicínskom zobrazovaní používa röntgenové žiarenie s nižšou energiou. Röntgenové lúče zvyčajne ionizujú menšie atómy, zatiaľ čo väčšie atómy môžu absorbovať žiarenie, pretože majú väčšie medzery vo svojich ionizačných energiách. To je dôvod, prečo röntgenové prístroje zobrazujú veci ako kosti veľmi dobre (sú zložené z ťažších prvkov), zatiaľ čo sú slabými obrazmi mäkkých tkanív (ľahšie prvky). Odhaduje sa, že za to zodpovedajú röntgenové prístroje a iné odvodené zariadenia medzi 35-50% ionizujúceho žiarenia, ktoré zažívajú ľudia v Spojených štátoch. Alfa častice: Častica alfa (označená gréckym písmenom α) pozostáva z dvoch protónov a dvoch neutrónov; presne rovnaké zloženie ako jadro hélia. Ak sa zameriame na proces rozpadu alfa, ktorý ich vytvára, stane sa toto: častica alfa je vymrštená z materského jadra veľmi vysokou rýchlosťou (teda vysokou energiou), zvyčajne presahujúcou 5 % rýchlosť svetla . Niektoré častice alfa prichádzajú na Zem vo forme kozmické lúče a môže dosiahnuť rýchlosť vyššiu ako 10 % rýchlosti svetla. Vo všeobecnosti však alfa častice interagujú na veľmi krátke vzdialenosti, takže tu na Zemi nie je žiarenie alfa častíc priamou hrozbou pre život. Je jednoducho absorbovaný našou vonkajšou atmosférou. Avšak, to je nebezpečenstvo pre astronautov. Beta častice: Výsledkom beta rozpadu sú beta častice (zvyčajne opísané gréckym písmenom Β) energetické elektróny, ktoré uniknú, keď sa neutrón rozpadne na protón, elektrón a anti- neutrína . Tieto elektróny sú energickejšie ako častice alfa, ale menej ako vysokoenergetické gama lúče. Za normálnych okolností nie sú beta častice dôležité pre ľudské zdravie, pretože sú ľahko tienené. Umelo vytvorené beta častice (ako v urýchľovačoch) môžu ľahšie preniknúť do pokožky, pretože majú podstatne vyššiu energiu. Niektoré miesta používajú tieto časticové lúče na liečbu rôznych druhov rakoviny kvôli ich schopnosti zamerať sa na veľmi špecifické oblasti. Nádor však musí byť blízko povrchu, aby nedošlo k poškodeniu významného množstva rozptýleného tkaniva.
• Neutrónové žiarenie : Neutróny s veľmi vysokou energiou vznikajú počas jadrovej fúzie alebo procesov jadrového štiepenia. Potom môžu byť absorbované atómovým jadrom, čo spôsobí, že atóm prejde do excitovaného stavu a môže vyžarovať gama žiarenie. Tieto fotóny potom budú excitovať atómy okolo seba, čím sa vytvorí reťazová reakcia, ktorá vedie k tomu, že sa oblasť stane rádioaktívnou. Toto je jeden z hlavných spôsobov, ako sa ľudia zrania pri práci okolo jadrových reaktorov bez vhodného ochranného vybavenia.

Neionizujúce žiarenie

Zatiaľ čo ionizačné žiarenie (vyššie) sa dostáva do tlače o škodlivosti pre ľudí, neionizujúce žiarenie môže mať tiež významné biologické účinky. Napríklad neionizujúce žiarenie môže spôsobiť spáleniny od slnka. Napriek tomu ho používame na varenie jedla v mikrovlnných rúrach. Neionizujúce žiarenie môže prísť aj vo forme tepelného žiarenia, ktoré môže zohriať materiál (a teda aj atómy) na dostatočne vysoké teploty, aby spôsobili ionizáciu. Tento proces sa však považuje za odlišný od kinetických alebo fotónových ionizačných procesov.

Karl Jansky Very Large Array rádioteleskopov sa nachádza neďaleko Socorra v Novom Mexiku. Toto pole sa zameriava na rádiové emisie z rôznych objektov a procesov na oblohe. NRAO/AUI

• Rádiové vlny : Rádiové vlny sú formou elektromagnetického žiarenia (svetla) s najdlhšou vlnovou dĺžkou. Majú rozpätie 1 milimeter až 100 kilometrov. Tento rozsah sa však prekrýva s mikrovlnným pásmom (pozri nižšie). Rádiové vlny sú produkované prirodzeneaktívne galaxie(konkrétne z okolia ich supermasívne čierne diery ), pulzary a v zvyšky supernovy . Ale vznikajú aj umelo na účely rozhlasového a televízneho prenosu.
• Mikrovlny : Mikrovlny, definované ako vlnové dĺžky svetla medzi 1 milimetrom a 1 metrom (1 000 milimetrov), sa niekedy považujú za podskupinu rádiových vĺn. V skutočnosti je rádioastronómia všeobecne štúdiom mikrovlnného pásma, keďže žiarenie s dlhšími vlnovými dĺžkami je veľmi ťažké odhaliť, pretože by to vyžadovalo detektory obrovskej veľkosti; teda len niekoľko rovesníkov nad 1-metrovou vlnovou dĺžkou. Aj keď mikrovlny neionizujú, môžu byť pre ľudí stále nebezpečné, pretože môžu predmetu odovzdať veľké množstvo tepelnej energie v dôsledku jeho interakcií s vodou a vodnou parou. (To je tiež dôvod, prečo sú mikrovlnné observatóriá zvyčajne umiestnené na vysokých a suchých miestach na Zemi, aby sa znížilo množstvo interferencie, ktorú môže experiment spôsobiť vodná para v našej atmosfére.
• Infra červená radiácia : Infračervené žiarenie je pásmo elektromagnetického žiarenia, ktoré zaberá vlnové dĺžky od 0,74 mikrometrov do 300 mikrometrov. (V jednom metri je 1 milión mikrometrov.) Infračervené žiarenie je veľmi blízke optickému svetlu, a preto sa na jeho štúdium používajú veľmi podobné techniky. Je však potrebné prekonať určité ťažkosti; menovite infračervené svetlo produkujú predmety porovnateľné s „izbovou teplotou“. Keďže elektronika používaná na napájanie a riadenie infračervených teleskopov bude pracovať pri takýchto teplotách, samotné prístroje vyžarujú infračervené svetlo, čo narúša získavanie údajov. Preto sú prístroje chladené pomocou tekutého hélia, aby sa obmedzilo prenikanie cudzích infračervených fotónov do detektora. Väčšina z toho, čo slnko vyžarovanie, ktoré dosiahne zemský povrch, je v skutočnosti infračervené svetlo, pričom viditeľné žiarenie nie je ďaleko za ním (a ultrafialové je vzdialená tretina).

Infračervený pohľad na oblak plynu a prachu zo Spitzerovho vesmírneho teleskopu. Hmlovina „Spider and Fly“ je oblasť tvorby hviezd a Spitzerov infračervený pohľad ukazuje štruktúry v oblaku ovplyvnené zhlukom novorodených hviezd. Spitzerov vesmírny ďalekohľad/NASA

• Viditeľné (optické) svetlo : Rozsah vlnových dĺžok viditeľného svetla je 380 nanometrov (nm) a 740 nm. Ide o elektromagnetické žiarenie, ktoré sme schopní zachytiť na vlastné oči, všetky ostatné formy sú pre nás bez elektronických pomôcok neviditeľné. Viditeľné svetlo je v skutočnosti len veľmi malá časť elektromagnetického spektra, a preto je dôležité študovať všetky ostatné vlnové dĺžky v astronómii, aby sme získali úplný obraz o vesmír a pochopiť fyzikálne mechanizmy, ktoré riadia nebeské telá.
• Žiarenie čierneho tela : Čierne teleso je objekt, ktorý pri zahrievaní vyžaruje elektromagnetické žiarenie, pričom maximálna vlnová dĺžka produkovaného svetla bude úmerná teplote (toto je známe ako Wienov zákon). Neexistuje nič také ako dokonalé čierne teleso, ale mnohé objekty ako naše Slnko, Zem a cievky na vašom elektrickom sporáku sú celkom dobré aproximácie.
• Tepelné žiarenie : Keď sa častice vo vnútri materiálu pohybujú v dôsledku svojej teploty, výslednú kinetickú energiu možno opísať ako celkovú tepelnú energiu systému. V prípade objektu čierneho telesa (pozri vyššie) môže byť tepelná energia uvoľnená zo systému vo forme elektromagnetického žiarenia.

Žiarenie, ako vidíme, je jedným zo základných aspektov vesmíru. Bez nej by sme nemali svetlo, teplo, energiu ani život.

UpravilCarolyn Collins Petersen.