Straling in de ruimte geeft aanwijzingen over het heelal

Een steekproef van telescopen (in werking vanaf februari 2013) bij golflengten over het hele elektromagnetische spectrum. Verschillende van deze observatoria observeren meer dan één band van het EM-spectrum. NASA

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

Kunstwerk van een planeet in een baan om een ​​pulsar. Pulsars zijn zeer snel ronddraaiende neutronensterren zijn de dode kernen van massieve sterren en draaien vaak honderden keren per seconde om hun as. Ze stralen radiogolven uit en in optisch licht. Mark Garlick / Science-fotobibliotheek (Getty Images)

Belang voor astronomie

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 er op veel golflengten naar. Iets onzichtbaars op de ene golflengte of frequentie kan heel helder zijn in een andere, en dat vertelt wetenschappers er iets heel belangrijks over.

Soorten straling

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

Ioniserende straling

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

Bepaalde vormen van straling dragen genoeg 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.

Het elektromagnetische spectrum wordt weergegeven als een functie van frequentie/golflengte en temperatuur. Chandra Röntgenobservatorium

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 in het universum . Gammastraling komt voor bij een verscheidenheid aan processen, variërend van activiteit in kernreactoren tot stellaire explosies genaamd supernova's en zeer energetische gebeurtenissen die bekend staan ​​als gammaflitsen. Omdat gammastralen elektromagnetische straling zijn, hebben ze niet gemakkelijk interactie met atomen, tenzij er een frontale botsing plaatsvindt. In dit geval zal de gammastraal 'vervallen' tot een elektron-positron-paar. Als een gammastraling echter wordt geabsorbeerd door een biologische entiteit (bijvoorbeeld een persoon), kan dit aanzienlijke schade aanrichten, 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 de mens. Gelukkig, terwijl ze enkele kilometers in onze atmosfeer kunnen doordringen voordat ze met een atoom interageren, is onze atmosfeer dik genoeg dat de meeste gammastralen worden geabsorbeerd voordat ze de grond bereiken. Astronauten in de ruimte hebben echter geen bescherming tegen hen, 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 de meest waarschijnlijke uitkomst van herhaalde blootstelling aan bovengemiddelde doses gammastraling (zoals die bijvoorbeeld door astronauten worden ervaren) een verhoogd risico op kanker. Dit is iets dat life sciences-experts van 's werelds ruimteagentschappen nauwkeurig bestuderen.
röntgenstralen: röntgenstraling is, net als gammastraling, een vorm van elektromagnetische golven (licht). Ze worden 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 een lagere energie worden gebruikt in medische beeldvorming. De röntgenstralen zullen typisch kleinere atomen ioniseren, terwijl grotere atomen de straling kunnen absorberen omdat ze grotere hiaten in hun ionisatie-energie hebben. Dit is de reden waarom röntgenapparaten dingen als botten heel goed kunnen afbeelden (ze zijn samengesteld uit zwaardere elementen) terwijl ze slechte beeldvorming hebben van zacht weefsel (lichtere elementen). Geschat wordt dat röntgenapparaten en andere afgeleide apparaten verantwoordelijk zijn voor: 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. Als we ons concentreren op het alfa-vervalproces dat ze creëert, gebeurt het volgende: het alfadeeltje wordt met zeer hoge snelheid (en dus hoge energie) uit de moederkern 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 interageren alfadeeltjes echter over zeer korte afstanden, dus hier op aarde vormt alfadeeltjesstraling geen directe bedreiging voor het leven. Het wordt gewoon geabsorbeerd door onze buitenatmosfeer. Het is echter is een gevaar voor astronauten. Bèta-deeltjes: Het resultaat van bètaverval, bètadeeltjes (meestal beschreven door de Griekse letter Β) zijn energetische elektronen die ontsnappen wanneer een neutron vervalt in een proton, elektron en anti- neutrino . Deze elektronen zijn energieker dan alfadeeltjes, maar minder dan hoogenergetische gammastraling. 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 de huid binnendringen omdat ze een aanzienlijk hogere energie hebben. Sommige plaatsen gebruiken deze deeltjesbundels om verschillende soorten kanker te behandelen vanwege hun vermogen om zich op zeer specifieke regio's te richten. De tumor moet echter dicht bij het oppervlak zijn om geen significante hoeveelheden afgewisseld weefsel te beschadigen.
• Neutronenstraling : Bij kernfusie- of kernsplijtingsprocessen ontstaan ​​zeer hoogenergetische neutronen. Ze kunnen dan worden geabsorbeerd door een atoomkern, waardoor het atoom in een aangeslagen toestand gaat en het gammastraling kan uitzenden. Deze fotonen zullen vervolgens de atomen eromheen prikkelen, 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.

Niet-ioniserende straling

Terwijl ioniserende straling (hierboven) alle pers krijgt over schadelijk zijn voor mensen, kan niet-ioniserende straling ook aanzienlijke biologische effecten hebben. Niet-ioniserende straling kan 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 een temperatuur die hoog genoeg is om ionisatie te veroorzaken. Dit proces wordt echter als anders beschouwd dan kinetische of fotonionisatieprocessen.

De Karl Jansky Very Large Array van radiotelescopen bevindt zich in de buurt van Socorro, New Mexico. Deze array richt zich op radio-emissies van een verscheidenheid aan objecten en processen in de lucht. NRAO/AUI

• Radio golven : Radiogolven zijn de langste golflengtevorm van elektromagnetische straling (licht). Ze overspannen 1 millimeter tot 100 kilometer. Dit bereik overlapt echter met de microgolfband (zie hieronder). Radiogolven worden op natuurlijke wijze geproduceerd dooractieve sterrenstelsels(specifiek uit het gebied rond hun superzware zwarte gaten ), pulsars en in supernovaresten . Maar ze zijn ook kunstmatig gemaakt voor radio- en televisie-uitzendingen.
• 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 omdat er detectoren van enorme afmetingen voor nodig zouden zijn; vandaar dat slechts enkelen voorbij de golflengte van 1 meter turen. Hoewel ze niet-ioniserend zijn, kunnen microgolven nog steeds gevaarlijk zijn voor mensen, omdat het een grote hoeveelheid thermische energie aan een item kan geven vanwege de interactie met water en waterdamp. (Dit is ook de reden waarom microgolfobservatoria meestal op hoge, droge plaatsen op aarde worden geplaatst, om de hoeveelheid interferentie die waterdamp in onze atmosfeer kan veroorzaken voor het experiment 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 één meter.) Infraroodstraling staat heel dicht bij optisch licht en daarom worden zeer vergelijkbare technieken gebruikt om het te bestuderen. Er zijn echter enkele moeilijkheden te overwinnen; namelijk infrarood licht wordt geproduceerd door objecten die vergelijkbaar zijn met 'kamertemperatuur'. Aangezien de elektronica die wordt gebruikt om infraroodtelescopen van stroom te voorzien en te besturen, bij dergelijke temperaturen zal werken, zullen de instrumenten zelf infraroodlicht 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 die het aardoppervlak bereikt, is in feite infrarood licht, met de zichtbare straling niet ver daarachter (en ultraviolet een derde verre derde).

Een infraroodbeeld van een wolk van gas en stof gemaakt door de Spitzer Space Telescope. De 'Spider and Fly'-nevel is een stervormingsgebied en Spitzers infraroodopname toont structuren in de wolk die zijn aangetast door een cluster van pasgeboren sterren. Spitzer Ruimtetelescoop/NASA

• Zichtbaar (optisch) licht : Het golflengtebereik van zichtbaar licht is 380 nanometer (nm) en 740 nm. Dit is de elektromagnetische straling die we met onze 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 zwart lichaam is een object dat elektromagnetische straling uitzendt wanneer het wordt verwarmd. 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 perfect zwart lichaam, 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 vanwege 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 uit het systeem worden vrijgemaakt 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 doorCarolyn Collins Petersen.