Straling in de ruimte geeft aanwijzingen over het heelal

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

Kunstwerk van een planeet die rond een pulsar draait. Pulsars zijn zeer snel ronddraaiende neutronensterren zijn de dode kernen van massieve sterren en draaien vaak honderden keren per seconde om hun assen. 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 hoog-energetische deeltjes zoals kosmische stralen. Sommige objecten en processen zijn eigenlijk volledig onzichtbaar op bepaalde golflengtes (zelfs optisch), dat is de reden waarom astronomen ernaar kijken in veel golflengtes. Iets wat onzichtbaar is op de ene golflengte of frequentie kan heel helder zijn in een andere, en dat zegt wetenschappers daar iets heel belangrijks over.

Soorten straling

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

Ioniserende straling

Ionisatie is het proces waarbij elektronen uit een atoom worden verwijderd. Dit gebeurt altijd in de natuur, en het vereist alleen dat het atoom botst 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 significante gezondheidsproblemen te veroorzaken. De omvang van de stralingsschade is een kwestie van hoeveel straling werd geabsorbeerd door het organisme.

Het elektromagnetische spectrum wordt weergegeven als een functie van frequentie / golflengte en temperatuur. Chandra X-Ray Observatorium

De minimale drempelenergie die nodig is om straling als ioniserend te beschouwen, is ongeveer 10 elektronenvolt (10 eV). Er zijn verschillende vormen van straling die van nature boven deze drempel bestaan:

• Gamma stralen: Gammastralen (meestal aangeduid met de Griekse letter γ) zijn een vorm van elektromagnetische straling. Ze vertegenwoordigen de hoogste energievormen van licht in het universum. Gammastralen komen voort uit verschillende processen, variërend van activiteit in kernreactoren tot stellaire explosies die supernovae worden genoemd en zeer energieke gebeurtenissen die bekend staan ​​als gammastralen. Omdat gammastraling elektromagnetische straling is, werken ze niet gemakkelijk samen met atomen tenzij er een frontale botsing optreedt. In dit geval zal de gammastraal "vervallen" in een elektron-positronpaar. Als een gammastraal echter wordt geabsorbeerd door een biologische entiteit (bijvoorbeeld een persoon), kan er aanzienlijke schade worden aangericht, omdat er een aanzienlijke hoeveelheid energie voor nodig is om dergelijke straling te stoppen. In deze zin zijn gammastralen misschien de gevaarlijkste vorm van straling voor mensen. Gelukkig, hoewel ze enkele kilometers in onze atmosfeer kunnen doordringen voordat ze met een atoom communiceren, 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 fataal kunnen zijn, is de meest waarschijnlijke uitkomst van herhaalde blootstelling aan bovengemiddelde doses gammastraling (zoals bijvoorbeeld ervaren door astronauten) een verhoogd risico op kanker. Dit is iets dat experts op het gebied van life sciences in 's werelds ruimteagentschappen nauwgezet bestuderen.
• röntgenstralen: röntgenstralen zijn, net als gammastralen, een vorm van elektromagnetische golven (licht). Ze worden meestal opgedeeld 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 harder de röntgenfoto) hoe gevaarlijker het is. Dit is de reden waarom röntgenstralen met lagere energie worden gebruikt bij medische beeldvorming. De röntgenstralen ioniseren meestal kleinere atomen, terwijl grotere atomen de straling kunnen absorberen omdat ze grotere gaten in hun ionisatie-energieën hebben. Dit is de reden waarom röntgenapparaten dingen zoals botten heel goed zullen weergeven (ze zijn samengesteld uit zwaardere elementen) terwijl ze slechte imagers zijn van zacht weefsel (lichtere elementen). Geschat wordt dat röntgenapparatuur en andere afgeleide apparaten tussen 35-50% van de ioniserende straling uitmaken die mensen in de Verenigde Staten ervaren.
• Alfadeeltjes: Een alfadeeltje (aangeduid met de Griekse letter α) bestaat uit twee protonen en twee neutronen; exact dezelfde samenstelling als een heliumkern. Focussen op het alfa-vervalproces dat ze maakt, hier is wat er gebeurt: het alfadeeltje wordt met zeer hoge snelheid (dus hoge energie) uit de moederkern uitgeworpen, meestal meer dan 5% van de lichtsnelheid. Sommige alfadeeltjes komen naar de aarde in de vorm van kosmische straling en kunnen snelheden bereiken van meer dan 10% van de snelheid van het licht. Over het algemeen interageren alfadeeltjes echter over zeer korte afstanden, dus hier op aarde vormt alfadeeltjesstraling geen directe bedreiging voor het leven. Het wordt eenvoudig geabsorbeerd door onze uiterlijke atmosfeer. Het is echter is een gevaar voor astronauten. 
• Beta-deeltjes: Het resultaat van beta-verval, beta-deeltjes (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 gammastralen met hoge energie. Normaal gesproken zijn bèta-deeltjes niet van belang voor de menselijke gezondheid, omdat ze gemakkelijk worden afgeschermd. Kunstmatig gecreëerde bèta-deeltjes (zoals in versnellers) kunnen gemakkelijker in de huid doordringen omdat ze 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: Zeer energierijke neutronen ontstaan ​​tijdens kernfusie of kernsplijting. Ze kunnen vervolgens worden geabsorbeerd door een atoomkern, waardoor het atoom in een geëxciteerde toestand wordt en het gammastralen kan uitzenden. Deze fotonen zullen dan de atomen rondom hen opwekken, waardoor een kettingreactie ontstaat, waardoor het gebied radioactief wordt. Dit is een van de belangrijkste manieren waarop mensen gewond raken terwijl ze in de buurt van kernreactoren werken zonder de juiste beschermende uitrusting.

Niet-ioniserende straling

Terwijl ioniserende straling (hierboven) alle pers krijgt over schadelijk voor de mens, kan niet-ioniserende straling ook significante biologische effecten hebben. Niet-ioniserende straling kan bijvoorbeeld dingen veroorzaken als zonnebrand. 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) tot voldoende hoge temperaturen kan verwarmen 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 is gericht op radio-emissies van verschillende objecten en processen in de lucht. NRAO / AUI

• Radio golven: Radiogolven zijn de langste golflengte van elektromagnetische straling (licht). Ze beslaan 1 millimeter tot 100 kilometer. Dit bereik overlapt echter de magnetronband (zie hieronder). Radiogolven worden op natuurlijke wijze geproduceerd door actieve sterrenstelsels (met name uit het gebied rond hun superzware zwarte gaten), pulsars en in supernovaresten. Maar ze zijn ook kunstmatig gemaakt voor radio- en televisie-uitzendingen.
• microgolven: 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 in het algemeen de studie van de microgolfband, aangezien straling met een langere golflengte zeer moeilijk te detecteren is, omdat daarvoor detectoren van een enorme omvang nodig zouden zijn; vandaar slechts een paar peer voorbij de golflengte van 1 meter. Hoewel niet-ioniserend, kunnen magnetrons nog steeds gevaarlijk zijn voor de mens omdat het een grote hoeveelheid thermische energie aan een item kan geven vanwege de interacties 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 voor het experiment kan veroorzaken te verminderen.
• Infrarood straling: Infraroodstraling is de band van elektromagnetische straling die golflengtes tussen 0,74 micrometer tot 300 micrometer inneemt. (Er is 1 miljoen micrometer in één meter.) Infraroodstraling komt heel dicht in de buurt van optisch licht en daarom worden zeer vergelijkbare technieken gebruikt om het te bestuderen. Er zijn echter enkele moeilijkheden te overwinnen; namelijk infraroodlicht wordt geproduceerd door objecten die vergelijkbaar zijn met "kamertemperatuur". Omdat 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 data-acquisitie verstoort. Daarom worden de instrumenten gekoeld met behulp van vloeibaar helium, om te voorkomen dat externe infraroodfotonen de detector binnenkomen. Het meeste van wat de zon uitzendt dat het aardoppervlak bereikt, is eigenlijk infraroodlicht, met de zichtbare straling niet ver achter (en ultraviolet een verre derde).

Een infraroodweergave van een wolk van gas en stof gemaakt door Spitzer Space Telescope. De "Spider and Fly" -nevel is een stervormend gebied en het infraroodbeeld van Spitzer toont structuren in de wolk die worden beïnvloed door een cluster van pasgeboren sterren. Spitzer Space Telescope / NASA

• 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 onze eigen ogen kunnen detecteren, alle andere vormen zijn onzichtbaar voor ons 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 ​​compleet beeld van het universum te krijgen en de fysieke mechanismen te begrijpen die de hemellichamen besturen..
• Blackbody-straling: Een blackbody is een object dat elektromagnetische straling uitzendt wanneer het wordt verwarmd, de piekgolflengte van het geproduceerde licht zal evenredig zijn aan 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 kachel zijn redelijk goede benaderingen.
• Thermische straling: Als deeltjes in een materiaal bewegen vanwege hun temperatuur, kan de resulterende kinetische energie worden omschreven als de totale thermische energie van het systeem. In het geval van een blackbody-object (zie hierboven) kan de thermische energie worden vrijgegeven uit het systeem in de vorm van elektromagnetische straling.

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

Uitgegeven door Carolyn Collins Petersen.