Stråling i rommet gir ledetråder om universet

En prøve av teleskoper (fungerer fra februar 2013) ved bølgelengder over det elektromagnetiske spekteret. Flere av disse observatoriene observerer mer enn ett bånd av EM-spekteret. NASA

Astronomi er studiet av objekter i universet som utstråler (eller reflekterer) energi fra hele det elektromagnetiske spekteret. Astronomer studerer stråling fra alle objekter i universet. La oss ta en grundig titt på strålingsformene der ute.

Kunstverk av en planet som kretser rundt en pulsar. Pulsarer er svært raskt spinnende nøytronstjerner er de døde kjernene til massive stjerner og roterer ofte hundrevis av ganger hvert sekund om aksene deres. De utstråler radiobølger og i optisk lys. Mark Garlick/Science Photo Library (Getty Images)

Viktig for astronomi

For å forstå universet fullstendig, må forskere se på det over hele det elektromagnetiske spekteret. Dette inkluderer høyenergipartiklene som kosmiske stråler. Noen objekter og prosesser er faktisk helt usynlige i visse bølgelengder (selv optiske), og det er grunnen til at astronomer ser på dem i mange bølgelengder. Noe usynlig ved en bølgelengde eller frekvens kan være veldig lyst i en annen, og det forteller forskerne noe veldig viktig om det.

Typer stråling

Stråling beskriver elementærpartikler, kjerner og elektromagnetiske bølger når de forplanter seg gjennom rommet. Forskere refererer vanligvis til stråling på to måter: ioniserende og ikke-ioniserende.

Ioniserende stråling

Ionisering er prosessen der elektroner fjernes fra et atom. Dette skjer hele tiden i naturen, og det krever bare at atomet kolliderer med et foton eller en partikkel med nok energi til å begeistre valget(e). Når dette skjer, kan atomet ikke lenger opprettholde sin binding til partikkelen.

Visse former for stråling bærer nok energi til å ionisere ulike atomer eller molekyler. De kan forårsake betydelig skade på biologiske enheter ved å forårsake kreft eller andre betydelige helseproblemer. Omfanget av stråleskadene er et spørsmål om hvor mye stråling som ble absorbert av organismen.

Det elektromagnetiske spekteret viser som en funksjon av frekvens/bølgelengde og temperatur. Chandra X-Ray Observatory

Minimum terskelen energi som trengs for at stråling skal anses som ioniserende er omtrent 10 elektronvolt (10 eV). Det er flere former for stråling som naturlig eksisterer over denne terskelen:

• Gammastråler : Gammastråler (vanligvis betegnet med den greske bokstaven γ) er en form for elektromagnetisk stråling. De representerer de høyeste energiformene for lys i universet . Gammastråler oppstår fra en rekke prosesser, alt fra aktivitet inne i atomreaktorer til stjerneeksplosjoner kalt supernovaer og svært energiske hendelser kjent som gammastråleutbrudd. Siden gammastråler er elektromagnetisk stråling, samhandler de ikke lett med atomer med mindre en front-mot-kollisjon oppstår. I dette tilfellet vil gammastrålen 'forfalle' til et elektron-positron-par. Men skulle en gammastråle absorberes av en biologisk enhet (f.eks. en person), kan betydelig skade gjøres ettersom det krever en betydelig mengde energi for å stoppe slik stråling. Slik sett er gammastråler kanskje den farligste formen for stråling for mennesker. Heldigvis, mens de kan trenge flere mil inn i atmosfæren vår før de samhandler med et atom, er atmosfæren vår tykk nok til at de fleste gammastråler absorberes før de når bakken. Imidlertid mangler astronauter i verdensrommet beskyttelse mot dem, og er begrenset til hvor lang tid de kan tilbringe 'utenfor' et romfartøy eller romstasjon. Mens svært høye doser gammastråling kan være dødelig, er det mest sannsynlige utfallet av gjentatt eksponering for over gjennomsnittlige doser av gammastråler (som de som oppleves av astronauter, for eksempel) en økt risiko for kreft. Dette er noe livsvitenskapseksperter i verdens romfartsorganisasjoner studerer nøye.
Røntgenstråler: røntgenstråler er, som gammastråler, en form for elektromagnetiske bølger (lys). De er vanligvis delt opp i to klasser: myke røntgenstråler (de med lengre bølgelengder) og harde røntgenstråler (de med kortere bølgelengder). Jo kortere bølgelengden (dvs vanskeligere røntgenbildet) jo farligere er det. Dette er grunnen til at røntgenstråler med lavere energi brukes i medisinsk bildebehandling. Røntgenstrålene vil typisk ionisere mindre atomer, mens større atomer kan absorbere strålingen da de har større hull i ioniseringsenergiene. Dette er grunnen til at røntgenmaskiner vil avbilde ting som bein veldig godt (de er sammensatt av tyngre elementer) mens de er dårlige bilder av bløtvev (lettere elementer). Det er anslått at røntgenmaskiner og andre avledede enheter står for mellom 35-50 % av den ioniserende strålingen som oppleves av mennesker i USA. Alfa-partikler: En alfapartikkel (betegnet med den greske bokstaven α) består av to protoner og to nøytroner; nøyaktig samme sammensetning som en heliumkjerne. Med fokus på alfa-forfallsprosessen som skaper dem, her er hva som skjer: alfapartikkelen blir kastet ut fra foreldrekjernen med svært høy hastighet (derfor høy energi), vanligvis i overkant av 5 % av lysets hastighet . Noen alfapartikler kommer til jorden i form av kosmiske stråler og kan oppnå hastigheter over 10 % av lysets hastighet. Generelt samhandler imidlertid alfapartikler over svært korte avstander, så her på jorden er ikke alfapartikkelstråling en direkte trussel mot liv. Det absorberes ganske enkelt av vår ytre atmosfære. Imidlertid er det er en fare for astronauter. Beta partikler: Resultatet av beta-nedbrytning, beta-partikler (vanligvis beskrevet med den greske bokstaven Β) er energiske elektroner som unnslipper når et nøytron forfaller til et proton, elektron og anti- nøytrino . Disse elektronene er mer energiske enn alfapartikler, men mindre enn høyenergi gammastråler. Normalt er beta-partikler ikke av bekymring for menneskers helse, da de lett skjermes. Kunstig skapte beta-partikler (som i akseleratorer) kan penetrere huden lettere ettersom de har betydelig høyere energi. Noen steder bruker disse partikkelstrålene til å behandle ulike typer kreft på grunn av deres evne til å målrette mot svært spesifikke regioner. Imidlertid må svulsten være nær overflaten for ikke å skade betydelige mengder ispedd vev.
• Nøytronstråling : Svært høyenerginøytroner skapes under kjernefysisk fusjon eller kjernefysisjonsprosesser. De kan da absorberes av en atomkjerne, noe som får atomet til å gå inn i en eksitert tilstand og det kan sende ut gammastråler. Disse fotonene vil da opphisse atomene rundt dem, og skape en kjedereaksjon som fører til at området blir radioaktivt. Dette er en av de viktigste måtene mennesker blir skadet på mens de jobber rundt atomreaktorer uten riktig verneutstyr.

Ikke-ioniserende stråling

Mens ioniserende stråling (over) får all presse om å være skadelig for mennesker, kan ikke-ioniserende stråling også ha betydelige biologiske effekter. For eksempel kan ikke-ioniserende stråling forårsake ting som solbrenthet. Likevel er det det vi bruker til å lage mat i mikrobølgeovner. Ikke-ioniserende stråling kan også komme i form av termisk stråling, som kan varme opp materiale (og dermed atomer) til høye nok temperaturer til å forårsake ionisering. Imidlertid anses denne prosessen annerledes enn kinetiske eller fotonioniseringsprosesser.

Karl Jansky Very Large Array av radioteleskoper ligger i nærheten av Socorro, New Mexico. Denne matrisen fokuserer på radioutslipp fra en rekke objekter og prosesser på himmelen. NRAO/AUI

• Radiobølger : Radiobølger er den lengste bølgelengdeformen for elektromagnetisk stråling (lys). De spenner fra 1 millimeter til 100 kilometer. Dette området overlapper imidlertid mikrobølgebåndet (se nedenfor). Radiobølger produseres naturlig avaktive galakser(spesielt fra området rundt deres supermassive sorte hull ), pulsarer og i supernova-rester . Men de er også laget kunstig for radio- og TV-overføring.
• Mikrobølger : Definert som bølgelengder av lys mellom 1 millimeter og 1 meter (1000 millimeter), blir mikrobølger noen ganger ansett for å være en undergruppe av radiobølger. Faktisk er radioastronomi generelt studiet av mikrobølgebåndet, ettersom stråling med lengre bølgelengder er svært vanskelig å oppdage da det ville kreve detektorer av enorm størrelse; derfor ser bare noen få utover bølgelengden på 1 meter. Mens ikke-ioniserende, kan mikrobølger fortsatt være farlige for mennesker, da det kan gi en stor mengde termisk energi til en gjenstand på grunn av dens interaksjoner med vann og vanndamp. (Dette er også grunnen til at mikrobølgeobservatorier vanligvis plasseres på høye, tørre steder på jorden, for å redusere mengden interferens som vanndamp i atmosfæren vår kan forårsake for eksperimentet.
• Infrarød stråling : Infrarød stråling er båndet av elektromagnetisk stråling som opptar bølgelengder mellom 0,74 mikrometer opp til 300 mikrometer. (Det er 1 million mikrometer i en meter.) Infrarød stråling er veldig nær optisk lys, og derfor brukes svært like teknikker for å studere det. Det er imidlertid noen vanskeligheter å overvinne; nemlig infrarødt lys produseres av objekter som kan sammenlignes med 'romtemperatur'. Siden elektronikk som brukes til å drive og kontrollere infrarøde teleskoper vil kjøre ved slike temperaturer, vil selve instrumentene avgi infrarødt lys, og forstyrre datainnsamlingen. Derfor avkjøles instrumentene ved hjelp av flytende helium, for å hindre at fremmede infrarøde fotoner kommer inn i detektoren. Det meste av hva solen sender ut som når jordens overflate er faktisk infrarødt lys, med den synlige strålingen ikke langt bak (og ultrafiolett en fjern tredjedel).

En infrarød visning av en sky av gass og støv laget av Spitzer Space Telescope. 'Edderkopp- og fluetåken' er et stjernedannende område, og Spitzers infrarøde visning viser strukturer i skyen påvirket av en klynge av nyfødte stjerner. Spitzer Space Telescope/NASA

• Synlig (optisk) lys : Bølgelengdeområdet til synlig lys er 380 nanometer (nm) og 740 nm. Dette er den elektromagnetiske strålingen som vi er i stand til å oppdage med egne øyne, alle andre former er usynlige for oss uten elektroniske hjelpemidler. Synlig lys er faktisk bare en veldig liten del av det elektromagnetiske spekteret, og det er derfor det er viktig å studere alle andre bølgelengder i astronomi for å få et fullstendig bilde av univers og å forstå de fysiske mekanismene som styrer himmellegemene.
• Svartkroppsstråling : Et svart legeme er et objekt som sender ut elektromagnetisk stråling når det varmes opp, toppbølgelengden til lys som produseres vil være proporsjonal med temperaturen (dette er kjent som Wiens lov). Det er ikke noe som heter en perfekt svartkropp, men mange gjenstander som vår sol, jorden og spolene på den elektriske komfyren din er ganske gode tilnærminger.
• Termisk stråling : Når partikler inne i et materiale beveger seg på grunn av deres temperatur, kan den resulterende kinetiske energien beskrives som den totale termiske energien til systemet. Når det gjelder et sortlegeme (se ovenfor) kan den termiske energien frigjøres fra systemet i form av elektromagnetisk stråling.

Stråling, som vi kan se, er en av de grunnleggende aspektene ved universet. Uten den ville vi ikke hatt lys, varme, energi eller liv.

Redigert avCarolyn Collins Petersen.