Straling in de ruimte en astronomie

Astronomie is de studie van objecten in het universum die energie uitstralen (of reflecteren) over het hele elektromagnetische spectrum. Astronomen bestuderen straling van alle objecten in het universum. Laten we dieper ingaan op de vormen van straling.

Om het universum volledig te begrijpen, moeten wetenschappers ernaar kijken over het hele elektromagnetische spectrum. Dit omvat de hoogenergetische deeltjes zoals kosmische straling. Sommige objecten en processen zijn eigenlijk volledig onzichtbaar in bepaalde golflengten (zelfs optisch), daarom kijken astronomen ernaar in veel golflengten. Iets dat onzichtbaar is bij de ene golflengte of frequentie kan in een andere golf heel helder zijn, en dat vertelt wetenschappers iets heel belangrijks.

Straling beschrijft elementaire deeltjes, kernen en elektromagnetische golven die zich door de ruimte voortplanten. Wetenschappers verwijzen doorgaans op twee manieren naar straling: ioniserend en niet-ioniserend.

Ionisatie is het proces waarbij elektronen uit een atoom worden verwijderd. Dit gebeurt de hele tijd in de natuur en het vereist alleen dat het atoom in botsing komt met een foton of een deeltje met voldoende energie om de verkiezing (en) op te wekken. Wanneer dit gebeurt, kan het atoom zijn binding aan het deeltje niet meer behouden.

Bepaalde vormen van straling bevatten voldoende energie om verschillende atomen of moleculen te ioniseren. Ze kunnen aanzienlijke schade toebrengen aan biologische entiteiten door kanker of andere belangrijke gezondheidsproblemen te veroorzaken. De omvang van de stralingsschade is een kwestie van hoeveel straling door het organisme is geabsorbeerd.

De minimumdrempel energie die nodig is om straling als ioniserend te beschouwen is ongeveer 10 elektronvolt (10 eV). Er zijn verschillende vormen van straling die van nature boven deze drempel bestaan:

• Gamma stralen: Gamma stralen (meestal aangeduid met de Griekse letter γ) zijn een vorm van elektromagnetische straling. Ze vertegenwoordigen de hoogste energievormen van licht het universum. Gammastraling treedt op bij verschillende processen, variërend van activiteit in kernreactoren tot stellaire explosies supernovae en zeer energetische gebeurtenissen die bekend staan ​​als gammastraalbursters. Omdat gammastraling elektromagnetische straling is, werken ze niet gemakkelijk samen met atomen, tenzij er een frontale botsing plaatsvindt. In dit geval zal de gammastraal "vervallen" tot een elektron-positronpaar. Als een gammastraal echter wordt geabsorbeerd door een biologische entiteit (bijv. Een persoon), kan er aanzienlijke schade worden aangericht, aangezien het een aanzienlijke hoeveelheid energie kost om dergelijke straling te stoppen. In die zin zijn gammastralen misschien wel de gevaarlijkste vorm van straling voor mensen. Gelukkig, terwijl ze enkele kilometers in onze atmosfeer kunnen doordringen voordat ze met een atoom interageren, is onze atmosfeer dik genoeg om de meeste gammastralen te absorberen voordat ze de grond bereiken. Astronauten in de ruimte hebben er echter geen bescherming tegen en zijn beperkt tot de hoeveelheid tijd die ze "buiten" een ruimtevaartuig of ruimtestation kunnen doorbrengen. Hoewel zeer hoge doses gammastraling dodelijk kunnen zijn, is dit het meest waarschijnlijke gevolg van herhaalde blootstelling bovengemiddelde doses gammastraling (zoals die van astronauten bijvoorbeeld) is een verhoogd risico op kanker. Dit is iets dat life sciences-experts van de ruimtevaartagentschappen ter wereld nauwkeurig bestuderen.
• röntgenstralen: röntgenstralen zijn, net als gammastraling, een vorm van elektromagnetische golven (licht). Ze zijn meestal onderverdeeld in twee klassen: zachte röntgenstralen (die met de langere golflengten) en harde röntgenstralen (die met de kortere golflengten). Hoe korter de golflengte (d.w.z. de moeilijker de röntgenfoto) hoe gevaarlijker het is. Dit is de reden waarom röntgenstralen met lagere energie worden gebruikt in medische beeldvorming. De röntgenstralen ioniseren doorgaans kleinere atomen, terwijl grotere atomen de straling kunnen absorberen omdat ze grotere hiaten in hun ionisatie-energie hebben. Dit is de reden waarom röntgenmachines dingen zoals botten heel goed in beeld brengen (ze zijn samengesteld uit zwaardere elementen) terwijl ze slechte beeldvormers zijn van zacht weefsel (lichtere elementen). Er wordt geschat dat röntgenmachines en andere afgeleide apparaten er rekening mee houden tussen 35-50% van de ioniserende straling die mensen in de Verenigde Staten ervaren.
• Alfa-deeltjes: Een alfadeeltje (aangeduid met de Griekse letter α) bestaat uit twee protonen en twee neutronen; exact dezelfde samenstelling als een heliumkern. Door ons te concentreren op het alfa-vervalproces dat ze creëert, gebeurt het volgende: het alfadeeltje is met zeer hoge snelheid (dus hoge energie) uit de ouderkern uitgestoten, meestal meer dan 5% van de lichtsnelheid. Sommige alfadeeltjes komen naar de aarde in de vorm van kosmische stralen en kan snelheden bereiken van meer dan 10% van de lichtsnelheid. Over het algemeen werken alfadeeltjes echter over zeer korte afstanden samen, dus hier op aarde is alfa-deeltjesstraling geen directe bedreiging voor het leven. Het wordt gewoon geabsorbeerd door onze uiterlijke atmosfeer. Maar het is een gevaar voor astronauten.
• Beta-deeltjes: Het resultaat van bèta-verval, bètadeeltjes (meestal beschreven door de Griekse letter Β) zijn energetische elektronen die ontsnappen wanneer een neutron in een proton, elektron en anti-neutrino. Deze elektronen zijn energieker dan alfadeeltjes, maar minder dan gammastralen met hoge energie. Normaal gesproken zijn bètadeeltjes niet van belang voor de menselijke gezondheid omdat ze gemakkelijk kunnen worden afgeschermd. Kunstmatig gecreëerde bètadeeltjes (zoals in versnellers) kunnen gemakkelijker door de huid dringen omdat ze een aanzienlijk hogere energie hebben. Sommige plaatsen gebruiken deze deeltjesbundels om verschillende soorten kanker te behandelen vanwege hun vermogen om zeer specifieke regio's te targeten. De tumor moet zich echter dicht bij het oppervlak bevinden om geen aanzienlijke hoeveelheden afgewisseld weefsel te beschadigen.
• Neutronenstraling: Bij atoomfusie of kernsplijting ontstaan ​​er zeer hoogenergetische neutronen. Ze kunnen dan worden geabsorbeerd door een atoomkern, waardoor het atoom in een aangeslagen toestand gaat en gammastraling kan uitzenden. Deze fotonen zullen dan de atomen om hen heen opwekken, waardoor een kettingreactie ontstaat, waardoor het gebied radioactief wordt. Dit is een van de belangrijkste manieren waarop mensen gewond raken tijdens het werken rond kernreactoren zonder de juiste beschermende uitrusting.

Hoewel ioniserende straling (hierboven) de pers overhaalt dat het schadelijk is voor mensen, kan niet-ioniserende straling ook aanzienlijke biologische effecten hebben. Zo kan niet-ioniserende straling bijvoorbeeld zonnebrand veroorzaken. Toch is het wat we gebruiken om voedsel in magnetrons te koken. Niet-ioniserende straling kan ook voorkomen in de vorm van thermische straling, die materiaal (en dus atomen) kan verhitten tot temperaturen die hoog genoeg zijn om ionisatie te veroorzaken. Dit proces wordt echter als anders beschouwd dan kinetische of fotonionisatieprocessen.

• Radio golven: Radiogolven zijn de langste golflengte van elektromagnetische straling (licht). Ze beslaan 1 millimeter tot 100 kilometer. Dit bereik overlapt echter met de microgolfband (zie hieronder). Radiogolven worden van nature geproduceerd door actieve sterrenstelsels (specifiek uit het gebied rond hun superzware zwarte gaten), pulsars en in supernova restanten. Maar ze zijn ook kunstmatig gemaakt voor radio- en televisietransmissie.
• Magnetrons: Gedefinieerd als golflengten van licht tussen 1 millimeter en 1 meter (1.000 millimeter), worden microgolven soms beschouwd als een subset van radiogolven. In feite is radioastronomie over het algemeen de studie van de microgolfband, aangezien straling met een langere golflengte erg moeilijk te detecteren is, aangezien hiervoor detectoren van enorme omvang nodig zouden zijn; vandaar dat slechts enkelen voorbij de golflengte van 1 meter kijken. Hoewel ze niet-ioniserend zijn, kunnen microgolven nog steeds gevaarlijk zijn voor mensen omdat ze een grote hoeveelheid thermische energie aan een item kunnen geven vanwege de interacties met water en waterdamp. (Dit is ook de reden waarom microgolf-observatoria doorgaans op hoge, droge plaatsen op aarde worden geplaatst, om de hoeveelheid interferentie die waterdamp in onze atmosfeer voor het experiment kan veroorzaken, te verminderen.
• Infrarood straling: Infraroodstraling is de band van elektromagnetische straling die golflengten inneemt tussen 0,74 micrometer en 300 micrometer. (Er zijn 1 miljoen micrometers in een meter.) Infraroodstraling komt heel dicht bij optisch licht en daarom worden er zeer vergelijkbare technieken gebruikt om het te bestuderen. Er zijn echter enkele moeilijkheden die moeten worden overwonnen; infrarood licht wordt namelijk geproduceerd door objecten die vergelijkbaar zijn met "kamertemperatuur". Aangezien elektronica die wordt gebruikt om infraroodtelescopen aan te drijven en te besturen bij dergelijke temperaturen zal werken, zullen de instrumenten zelf infrarood licht afgeven, wat de gegevensverzameling verstoort. Daarom worden de instrumenten gekoeld met vloeibaar helium, om te voorkomen dat externe infraroodfotonen de detector binnendringen. Het meeste van wat de zon zendingen die het aardoppervlak bereiken, zijn eigenlijk infrarood licht, met de zichtbare straling niet ver daarachter (en ultraviolet een verre derde).

• Zichtbaar (optisch) licht: Het bereik van golflengten van zichtbaar licht is 380 nanometer (nm) en 740 nm. Dit is de elektromagnetische straling die we met eigen ogen kunnen waarnemen, alle andere vormen zijn voor ons onzichtbaar zonder elektronische hulpmiddelen. Zichtbaar licht is eigenlijk maar een heel klein deel van het elektromagnetische spectrum, daarom is het belangrijk om alle andere golflengten in de astronomie te bestuderen om een ​​volledig beeld te krijgen van de universum en om de fysieke mechanismen te begrijpen die de hemellichamen besturen.
• Blackbody straling: Een blackbody is een object dat bij verhitting elektromagnetische straling afgeeft, de piekgolflengte van het geproduceerde licht is evenredig met de temperatuur (dit staat bekend als de wet van Wien). Er bestaat niet zoiets als een perfecte blackbody, maar veel objecten zoals onze zon, de aarde en de spoelen op je elektrische fornuis zijn redelijk goede benaderingen.
• Thermische straling: Als deeltjes in een materiaal bewegen als gevolg van hun temperatuur, kan de resulterende kinetische energie worden beschreven als de totale thermische energie van het systeem. In het geval van een blackbody-object (zie hierboven) kan de thermische energie worden vrijgemaakt uit het systeem in de vorm van elektromagnetische straling.

Straling is, zoals we kunnen zien, een van de fundamentele aspecten van het universum. Zonder dat zouden we geen licht, warmte, energie of leven hebben.

Bewerkt door Carolyn Collins Petersen.