Záření ve vesmíru a astronomii

Astronomie je studium objektů ve vesmíru, které vyzařují (nebo odrážejí) energii z elektromagnetického spektra. Astronomové studují záření ze všech objektů ve vesmíru. Pojďme se hlouběji podívat na formy záření tam venku.

Aby vědci úplně porozuměli vesmíru, musí se na něj podívat v celém elektromagnetickém spektru. To zahrnuje vysoce energetické částice, jako jsou kosmické paprsky. Některé objekty a procesy jsou ve skutečnosti zcela neviditelné v určitých vlnových délkách (i optických), a proto se na ně astronomové dívají v mnoha vlnových délkách. Něco neviditelného na jedné vlnové délce nebo frekvenci může být v druhé velmi jasné a to vědcům říká něco velmi důležitého.

Záření popisuje elementární částice, jádra a elektromagnetické vlny při jejich šíření vesmírem. Vědci obvykle odkazují na záření dvěma způsoby: ionizující a neionizující.

Ionizace je proces, kterým jsou elektrony odstraněny z atomu. To se děje po celou dobu v přírodě a vyžaduje pouze atom, aby se srazil s fotonem nebo částicí s dostatkem energie, aby vzrušil volby. Když k tomu dojde, atom již nemůže udržovat svou vazbu k částici.

Některé formy záření přenášejí dostatek energie k ionizaci různých atomů nebo molekul. Mohou způsobit významné poškození biologických entit způsobením rakoviny nebo jiných významných zdravotních problémů. Rozsah radiačního poškození je věcí toho, kolik záření bylo organismem absorbováno.

Minimální práh energie potřebná k tomu, aby záření bylo považováno za ionizující je přibližně 10 voltů elektronů (10 eV). Nad tímto prahem přirozeně existuje několik forem záření:

• Gama paprsky: Gama paprsky (obvykle označený řeckým písmenem γ) jsou formou elektromagnetického záření. Představují nejvyšší energetické formy světla v vesmír. Paprskové paprsky se vyskytují od různých procesů, od aktivity uvnitř jaderných reaktorů až po tzv. Hvězdné exploze supernovy a vysoce energetické události známé jako gama paprsky. Protože gama paprsky jsou elektromagnetické záření, nekomunikují snadno s atomy, pokud nedojde k čelní kolizi. V tomto případě se paprsek gama "rozpadne" na pár elektron-pozitron. Pokud by však byl gama paprsek absorbován biologickou entitou (např. Osobou), pak může dojít k významnému poškození, protože zastavení takového záření vyžaduje značné množství energie. V tomto smyslu jsou gama paprsky možná nejnebezpečnější formou záření pro člověka. Naštěstí, zatímco oni mohou proniknout několik kilometrů do naší atmosféry, než začnou interagovat s atomem, naše atmosféra je dostatečně silná, že většina gama paprsků je absorbována dříve, než se dostanou na zem. Astronauti ve vesmíru však před nimi nemají ochranu a jsou omezeni na množství času, který mohou „venku“ strávit kosmickou lodí nebo vesmírnou stanicí. I když velmi vysoké dávky záření gama mohou být fatální, nejpravděpodobnějším důsledkem opakovaných expozic nadprůměrné dávky paprsků gama (jako například u astronautů) představuje zvýšené riziko rakovina. To je něco, co odborníci na biologické vědy ve světových vesmírných agenturách pozorně studují.
• Rentgenové paprsky: rentgenové paprsky jsou, podobně jako paprsky gama, podobou elektromagnetických vln (světla). Obvykle jsou rozděleny do dvou tříd: měkké rentgenové paprsky (ty s delšími vlnovými délkami) a tvrdé rentgenové paprsky (ty s kratšími vlnovými délkami). Čím kratší je vlnová délka (tj těžší rentgen) čím nebezpečnější je. To je důvod, proč se při lékařském zobrazování používají rentgenové paprsky s nižší energií. Rentgenové paprsky typicky ionizují menší atomy, zatímco větší atomy mohou absorbovat záření, protože mají větší mezery ve své ionizační energii. To je důvod, proč rentgenové stroje budou zobrazovat věci jako kosti velmi dobře (jsou složeny z těžších prvků), zatímco jsou špatnými představiteli měkkých tkání (lehčí prvky). Odhaduje se, že rentgenové přístroje a další odvozená zařízení odpovídají za mezi 35-50% ionizujícího záření zažívaného lidmi ve Spojených státech.
• Částice alfaAlfa částice (označená řeckým písmenem α) se skládá ze dvou protonů a dvou neutronů; přesně stejné složení jako jádro helia. Soustředíme se na proces rozpadu alfa, který je vytváří, tady je to, co se stane: alfa částice je vyhozen z rodičovského jádra s velmi vysokou rychlostí (tedy vysokou energií), obvykle nad 5% z rychlost světla. Některé alfa částice přicházejí na Zemi ve formě kosmické paprsky a může dosáhnout rychlosti vyšší než 10% rychlosti světla. Obecně však alfa částice interagují na velmi krátké vzdálenosti, takže zde na Zemi není záření alfa částic přímým ohrožením života. Jednoduše se absorbuje naší vnější atmosférou. Nicméně, to je nebezpečí pro astronauty.
• Beta částice: Výsledkem rozpadu beta, beta částice (obvykle popsané v řeckém dopise Β) jsou energetické elektrony, které unikají, když se neutron rozpadne na proton, elektron a anti-neutrino. Tyto elektrony jsou energetičtější než alfa částice, ale méně než paprsky gama s vysokou energií. Normálně se částice beta netýkají lidského zdraví, protože jsou snadno chráněny. Uměle vytvořené beta částice (jako v urychlovačích) mohou proniknout pokožkou snadněji, protože mají výrazně vyšší energii. Některá místa používají tyto svazky částic k léčbě různých druhů rakoviny, protože jsou schopny cílit na velmi specifické regiony. Nádor však musí být blízko povrchu, aby nepoškodil významná množství rozptýlené tkáně.
• Neutronové záření: Během jaderné fúze nebo jaderného štěpení vznikají neutrony s vysokou energií. Mohou být poté absorbovány atomovým jádrem, což způsobí, že se atom dostane do vzrušeného stavu a může emitovat paprsky gama. Tyto fotony potom excitují atomy kolem nich a vytvoří řetězovou reakci, což povede k radioaktivitě oblasti. Toto je jeden z primárních způsobů, jak jsou lidé zraněni při práci kolem jaderných reaktorů bez řádného ochranného vybavení.

I když ionizující záření (výše) získává veškerý tisk o škodlivosti pro člověka, neionizující záření může mít také významné biologické účinky. Například neionizující záření může způsobit věci jako spálení od slunce. Přesto používáme k vaření jídla v mikrovlnných troubách. Neionizující záření může také přijít ve formě tepelného záření, které může zahřívat materiál (a tedy atomy) na dostatečně vysoké teploty, které způsobují ionizaci. Tento proces se však považuje za odlišný od kinetických nebo fotonových ionizačních procesů.

• Rádiové vlny: Rádiové vlny jsou nejdelší formou vlnových délek elektromagnetického záření (světla). Rozkládají se 1 milimetr až 100 kilometrů. Tento rozsah se však překrývá s mikrovlnným pásmem (viz níže). Rádiové vlny jsou přirozeně produkovány aktivní galaxie (konkrétně z oblasti kolem nich) supermasivní černé díry), pulsary a v zbytky supernovy. Jsou však také uměle vytvářeny pro účely rozhlasového a televizního přenosu.
• Mikrovlny: Jako vlnové délky světla mezi 1 milimetrem a 1 metrem (1 000 milimetrů) jsou mikrovlny někdy považovány za podmnožinu rádiových vln. Ve skutečnosti je radioastronomie obecně studiem mikrovlnného pásma, protože záření s delší vlnovou délkou je velmi obtížné detekovat, protože by vyžadovalo detektory obrovské velikosti; proto jen pár vrstevníků za vlnovou délkou 1 metru. I když neionizují, mohou být mikrovlny stále pro člověka nebezpečné, protože mohou předávat předmětu velké množství tepelné energie díky jeho interakcím s vodou a vodní párou. (To je také důvod, proč jsou mikrovlnné observatoře obvykle umístěny na vysokých, suchých místech na Zemi, aby se snížilo množství rušení, které vodní páry v naší atmosféře mohou experimentu způsobit.
• Infračervené zářeníInfračervené záření je pásmo elektromagnetického záření, které zabírá vlnové délky mezi 0,74 mikrometrů až 300 mikrometrů. (V jednom metru je 1 milion mikrometrů.) Infračervené záření je velmi blízké optickému světlu, a proto se k jeho studiu používají velmi podobné techniky. Existují však určité potíže, které je třeba překonat; totiž infračervené světlo je vytvářeno objekty srovnatelnými s „pokojovou teplotou“. Protože elektronika používaná k napájení a řízení infračervených dalekohledů bude běžet při takových teplotách, samotné přístroje vydávají infračervené světlo, což ruší získávání dat. Proto jsou přístroje chlazeny kapalným heliem, aby se snížilo množství cizích infračervených fotonů od vstupu do detektoru. Většina z toho slunce emise, které se dostanou na zemský povrch, jsou ve skutečnosti infračerveným světlem, s viditelným zářením ne daleko za sebou (a ultrafialovým světlem vzdáleným třetinou).

• Viditelné (optické) světlo: Rozsah vlnových délek viditelného světla je 380 nanometrů (nm) a 740 nm. To je elektromagnetické záření, které jsme schopni detekovat na vlastní oči, všechny ostatní formy jsou pro nás neviditelné bez elektronických pomůcek. Viditelné světlo je ve skutečnosti jen velmi malou částí elektromagnetického spektra, proto je důležité studovat všechny ostatní vlnové délky v astronomii, aby se získal úplný obrázek vesmír a porozumět fyzickým mechanismům, kterými se řídí nebeská těla.
• Záření Blackbody: Blackbody je objekt, který emituje elektromagnetické záření, když je zahříván, maximální vlnová délka produkovaného světla bude úměrná teplotě (toto je známé jako Wienův zákon). Neexistuje nic takového jako dokonalý černoch, ale mnoho objektů, jako je naše Slunce, Země a cívky na vašem elektrickém sporáku, jsou docela dobré aproximace.
• Tepelné záření: Když se částice uvnitř materiálu pohybují v důsledku své teploty, lze výslednou kinetickou energii charakterizovat jako celkovou tepelnou energii systému. V případě objektu typu blackbody (viz výše) může být tepelná energie ze systému uvolněna ve formě elektromagnetického záření.

Jak vidíme, záření je jedním ze základních aspektů vesmíru. Bez něj bychom neměli světlo, teplo, energii ani život.

Editoval Carolyn Collins Petersen.