Kiirgus ruumis ja astronoomia

Astronoomia on objektide uurimine universumis, mis kiirgavad (või peegeldavad) energiat kogu elektromagnetilise spektri ulatuses. Astronoomid uurivad kõigi universumi objektide kiirgust. Vaatame põhjalikult seal asuvaid kiirgusvorme.

Universumi täielikuks mõistmiseks peavad teadlased seda vaatama kogu elektromagnetilise spektri ulatuses. See hõlmab kõrge energiaga osakesi nagu kosmilised kiired. Mõned objektid ja protsessid on teatud lainepikkustel (isegi optiliselt) täiesti nähtamatud, mistõttu vaatavad astronoomid neid paljudel lainepikkustel. Midagi ühel lainepikkusel või sagedusel nähtamatut võib teises olla väga ere ja see ütleb teadlastele selles midagi väga olulist.

Kiirgus kirjeldab elementaarseid osakesi, tuumasid ja elektromagnetilisi laineid, kuna need levivad läbi ruumi. Teadlased viitavad kiirgusele tavaliselt kahel viisil: ioniseeriv ja mitteioniseeriv.

Ioniseerimine on protsess, mille käigus elektronid eemaldatakse aatomist. Seda juhtub looduses kogu aeg ja selleks on vaja vaid aatomi põrkumist footoni või osakesega, millel on piisavalt energiat, et valimisi (id) ergastada. Kui see juhtub, ei suuda aatom enam oma sidet osakesega säilitada.

Teatud kiirgusvormid kannavad piisavalt energiat mitmesuguste aatomite või molekulide ioniseerimiseks. Need võivad põhjustada olulist kahju bioloogilistele üksustele, põhjustades vähki või muid olulisi terviseprobleeme. Kiirguskahjustuse ulatus sõltub sellest, kui palju kiirgust organism absorbeeris.

Miinimumlävi kiirguseks vajalik energia ioniseerivaks on umbes 10 elektronvolti (10 eV). Selle künnise kohal looduslikult esinevad mitmed kiirgusvormid:

• Gammakiired: Gammakiired (tavaliselt tähistatud kreeka tähega γ) on elektromagnetilise kiirguse vorm. Need esindavad valguse kõrgeimat energiavormi universum. Gammakiired esinevad erinevates protsessides, alates aktiivsusest tuumareaktorites kuni täheplahvatusteni, mida nimetatakse supernoovad ja väga energilised sündmused, mida tuntakse gammakiirguse purunemisena. Kuna gammakiired on elektromagnetiline kiirgus, ei interakteeru need aatomitega lihtsalt siis, kui toimub kokkupõrge peaga. Sel juhul "laguneb" gammakiir elektron-positronide paariks. Kui bioloogiline üksus (nt inimene) neelab gammakiirt, võib see siiski kahjustada, kuna sellise kiirguse peatamiseks kulub märkimisväärselt palju energiat. Selles mõttes on gammakiired inimestele kõige ohtlikum kiirgusvorm. Õnneks, kuigi nad suudavad enne aatomiga interaktsiooni tungida meie atmosfääri mitu miili, on meie atmosfäär piisavalt paks, et enamik gammakiiri neeldub enne maapinnale jõudmist. Kosmoses astronautidel puudub nende eest kaitse ja nad on piiratud ajaga, mille jooksul nad saavad veeta kosmoselaeva või kosmosejaama "väljaspool". Kuigi väga suured gammakiirguse doosid võivad lõppeda surmaga, on tõenäoline tagajärg korduva kokkupuute korral keskmisest suuremad gammakiirte doosid (nagu näiteks need, mida kogevad näiteks astronaudid) on suurenenud risk vähk. See on asi, mida maailma kosmoseagentuuride eluteaduste eksperdid põhjalikult uurivad.
• Röntgenikiirgus: röntgenikiirgus on sarnaselt gammakiirtega elektromagnetiliste lainete (valguse) vorm. Tavaliselt jaotatakse need kahte klassi: pehmed röntgenikiirgused (pikema lainepikkusega inimesed) ja kõva röntgenikiirgused (lühema lainepikkusega isikud). Mida lühem on lainepikkus (st raskem röntgen), seda ohtlikum. Seetõttu kasutatakse meditsiinilises pildistamises madalama energiaga röntgenikiirgust. Röntgenikiirgus ioniseerib tavaliselt väiksemaid aatomeid, samas kui suuremad aatomid võivad kiirgust neelata, kuna nende ionisatsioonienergiates on suuremad lüngad. Seetõttu pildistavad röntgeniaparaadid selliseid asju nagu luud (need koosnevad raskematest elementidest) väga hästi, samal ajal kui nad on pehmete kudede (heledamad elemendid) vaesed pildid. Arvatakse, et see hõlmab röntgeniaparaate ja muid tuletusseadmeid vahemikus 35-50% ioniseeriva kiirgusega, mida inimesed kogevad Ameerika Ühendriikides.
• Alfaosakesed: Alfaosake (tähistatud kreeka tähega α) koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist; täpselt sama koostis kui heeliumituum. Keskendudes neid loovale alfa lagunemise protsessile, juhtub järgmine: alfaosake on väljub põhituumast väga suure kiirusega (seega suure energiaga), tavaliselt üle 5% selle valguse kiirus. Mõned alfaosakesed jõuavad Maale kujul kosmilised kiired ja võib saavutada kiiruse, mis ületab 10% valguse kiirusest. Üldiselt interakteeruvad alfaosakesed siiski väga väikeste vahemaadega, nii et siin Maa peal ei ole alfaosakeste kiirgus otsest ohtu elule. See imendub lihtsalt meie välisõhkkonda. Kuid siiski on oht astronautidele.
• Beetaosakesed: Beeta lagunemise tagajärjel on beetaosakesed (mida tavaliselt kirjeldatakse kreeka tähega Β) energeetilised elektronid, mis pääsevad välja, kui neutron laguneb prootoniks, elektroniks ja anti-neutriino. Need elektronid on energilisemad kui alfaosakesed, kuid vähem kui suure energiaga gammakiired. Tavaliselt ei põhjusta beetaosakesed inimeste tervisele muret, kuna need on kergesti varjestatud. Kunstlikult loodud beetaosakesed (nagu kiirendites) võivad nahale hõlpsamini tungida, kuna nende energia on märkimisväärselt suurem. Mõnes kohas kasutavad need osakeste taimed mitmesuguste vähiliikide raviks, kuna nad suudavad sihtida väga spetsiifilisi piirkondi. Kuid kasvaja peab asuma pinna lähedal, et mitte kahjustada märkimisväärses koguses üksteisega seotud kudet.
• Neutronkiirgus: Tuumasünteesi või tuuma lõhustumise protsesside käigus tekivad väga suure energiatarbega neutronid. Seejärel saab neid absorbeerida aatomituum, põhjustades aatomi ergastatud olekusse ja see võib eraldada gammakiiri. Seejärel erutavad need footonid nende ümber olevaid aatomeid, tekitades ahelreaktsiooni, mille tulemusel piirkond muutub radioaktiivseks. See on üks peamisi viise, kuidas inimesed saavad vigastada, töötades tuumareaktorite ümber ilma nõuetekohase kaitsevarustuseta.

Ehkki ioniseeriv kiirgus (ülalpool) avaldab ajakirjandusele inimestele kahjulikku teavet, võib mitteioniseerival kiirgusel olla ka oluline bioloogiline mõju. Näiteks võib mitteioniseeriv kiirgus põhjustada päikesepõletusi. Kuid see on see, mida me kasutame toidu valmistamiseks mikrolaineahjus. Mitteioniseeriv kiirgus võib esineda ka termilise kiirguse kujul, mis võib kuumutada materjali (ja seega ka aatomeid) piisavalt kõrge temperatuurini, et põhjustada ionisatsiooni. Kuid seda protsessi peetakse kineetilise või footoni ionisatsiooni protsessidest erinevaks.

• Raadiolained: Raadiolained on elektromagnetilise kiirguse (valguse) pikim vorm. Need ulatuvad 1 millimeetrist 100 kilomeetrini. See vahemik kattub aga mikrolaine ribaga (vt allpool). Raadiolaineid toodetakse looduslikult aktiivsed galaktikad (konkreetselt nende piirkonnast) ülimassiivsed mustad augud), pulsaarid ja sisse supernoova jäänused. Kuid need on loodud ka kunstlikult raadio ja televisiooni edastamiseks.
• Mikrolained: Määratuna valguse lainepikkustena vahemikus 1–1 meeter (1000 millimeetrit), peetakse mikrolaineid mõnikord raadiolainete alamrühmaks. Tegelikult on raadioastronoomia üldiselt mikrolaineala uurimine, kuna pikemat lainepikkust on väga raske tuvastada, kuna see nõuaks tohutu suurusega detektorit. seega ainult üks meeter üle 1-meetrise lainepikkuse. Mikrolained võivad mitteioniseerida, kuid võivad siiski olla inimestele ohtlikud, kuna võivad vee ja veeaurude koostoime tõttu anda esemele suure hulga soojusenergiat. (See on ka põhjus, miks mikrolaine observatooriumid paigutatakse tavaliselt kõrgetele kuivadele kohtadele Maa peal, et vähendada häireid, mida meie atmosfääri veeaur eksperimendile võib põhjustada.
• Infrapunakiirgus: Infrapunakiirgus on elektromagnetilise kiirguse riba, mis võtab lainepikkusi vahemikus 0,74 mikromeetrit kuni 300 mikromeetrit. (Ühes meetris on 1 miljon mikromeetrit.) Infrapunakiirgus on optilisele valgusele väga lähedal ja seetõttu kasutatakse selle uurimiseks väga sarnaseid tehnikaid. Siiski on mõned raskused ületamiseks; nimelt tekitavad infrapunavalgust objektid, mis on võrreldavad "toatemperatuuriga". Kuna infrapuna teleskoopide toiteks ja juhtimiseks kasutatav elektroonika töötab sellistel temperatuuridel, eraldavad instrumendid ise infrapunavalgust, häirides andmete kogumist. Seetõttu jahutatakse instrumente vedela heeliumi abil, et välistada infrapuna footonite sisenemist detektorisse. Enamus millest päike Maa pinnale jõudev kiirgus on tegelikult infrapunavalgus, kusjuures nähtav kiirgus pole kaugel taga (ja ultraviolett kauge kolmandik).

• Nähtav (optiline) valgus: Nähtava valguse lainepikkuste vahemik on 380 nanomeetrit (nm) ja 740 nm. See on elektromagnetiline kiirgus, mida me suudame oma silmaga tuvastada, kõik muud vormid on meile ilma elektrooniliste abivahenditeta nähtamatud. Nähtav valgus moodustab tegelikult ainult väga väikese osa elektromagnetilisest spektrist, mistõttu on oluline uurida kõiki teisi astronoomia lainepikkusi, et saada täielik pilt universum ja mõista füüsilisi mehhanisme, mis valitsevad taevakehasid.
• Musta keha kiirgus: Must keha on objekt, mis eraldab kuumutamisel elektromagnetilist kiirgust. Valguse tipplainepikkus on proportsionaalne temperatuuriga (seda nimetatakse Wieni seaduseks). Pole olemas sellist asja nagu täiuslik mustkeha, kuid paljud objektid, nagu meie päike, maa ja teie elektripliidi mähised, on üsna head lähendused.
• Soojuskiirgus: Kuna materjali sees olevad osakesed liiguvad nende temperatuuri tõttu, võib saadud kineetilist energiat kirjeldada kui süsteemi kogu soojusenergiat. Musta kehaga eseme puhul (vt eespool) võib soojusenergia süsteemist vabaneda elektromagnetilise kiirguse vormis.

Kiirgus, nagu näeme, on üks universumi põhiaspekte. Ilma selleta poleks meil valgust, soojust, energiat ega elu.

Toimetanud Carolyn Collins Petersen.