Strahlung im Weltraum und in der Astronomie

Astronomie ist die Untersuchung von Objekten im Universum, die Energie aus dem gesamten elektromagnetischen Spektrum ausstrahlen (oder reflektieren). Astronomen untersuchen die Strahlung aller Objekte im Universum. Schauen wir uns die Strahlungsformen dort draußen genauer an.

Um das Universum vollständig zu verstehen, müssen Wissenschaftler es über das gesamte elektromagnetische Spektrum betrachten. Dies schließt die hochenergetischen Teilchen wie kosmische Strahlung ein. Einige Objekte und Prozesse sind bei bestimmten Wellenlängen (sogar optischen) tatsächlich völlig unsichtbar, weshalb Astronomen sie bei vielen Wellenlängen betrachten. Etwas Unsichtbares bei einer Wellenlänge oder Frequenz kann in einer anderen sehr hell sein, und das sagt den Wissenschaftlern etwas sehr Wichtiges.

Strahlung beschreibt Elementarteilchen, Kerne und elektromagnetische Wellen, die sich durch den Raum ausbreiten. Wissenschaftler referenzieren Strahlung normalerweise auf zwei Arten: ionisierend und nichtionisierend.

Ionisation ist der Prozess, bei dem Elektronen aus einem Atom entfernt werden. Dies geschieht in der Natur ständig und erfordert lediglich, dass das Atom mit einem Photon oder einem Teilchen kollidiert, dessen Energie ausreicht, um die Wahl (en) anzuregen. In diesem Fall kann das Atom seine Bindung zum Teilchen nicht mehr aufrechterhalten.

Bestimmte Strahlungsformen tragen genug Energie, um verschiedene Atome oder Moleküle zu ionisieren. Sie können biologischen Einheiten erheblichen Schaden zufügen, indem sie Krebs oder andere bedeutende Gesundheitsprobleme verursachen. Das Ausmaß des Strahlenschadens hängt davon ab, wie viel Strahlung vom Organismus absorbiert wurde.

Die Mindestschwelle Energie, die benötigt wird, damit Strahlung als ionisierend angesehen wird beträgt etwa 10 Elektronenvolt (10 eV). Es gibt verschiedene Arten von Strahlung, die natürlich oberhalb dieser Schwelle existieren:

• Gamma Strahlen: Gamma Strahlen (normalerweise mit dem griechischen Buchstaben γ bezeichnet) sind eine Form elektromagnetischer Strahlung. Sie repräsentieren die energiereichsten Lichtformen in das Universum. Gammastrahlen treten bei einer Vielzahl von Prozessen auf, die von der Aktivität in Kernreaktoren bis hin zu sogenannten Sternexplosionen reichen Supernovae und hochenergetische Ereignisse, die als Gammastrahlenburster bekannt sind. Da Gammastrahlen elektromagnetische Strahlung sind, interagieren sie nur dann leicht mit Atomen, wenn eine Frontalkollision auftritt. In diesem Fall "zerfällt" der Gammastrahl in ein Elektron-Positron-Paar. Sollte jedoch ein Gammastrahl von einer biologischen Einheit (z. B. einer Person) absorbiert werden, kann ein erheblicher Schaden angerichtet werden, da eine beträchtliche Energiemenge erforderlich ist, um eine solche Strahlung zu stoppen. In diesem Sinne sind Gammastrahlen für den Menschen möglicherweise die gefährlichste Form der Strahlung. Glücklicherweise können sie mehrere Meilen in unsere Atmosphäre eindringen, bevor sie mit einem Atom interagieren, aber unsere Atmosphäre ist dick genug, dass die meisten Gammastrahlen absorbiert werden, bevor sie den Boden erreichen. Astronauten im Weltraum sind jedoch nicht vor ihnen geschützt und auf die Zeit beschränkt, die sie "außerhalb" eines Raumfahrzeugs oder einer Raumstation verbringen können. Während sehr hohe Dosen von Gammastrahlung tödlich sein können, ist dies das wahrscheinlichste Ergebnis einer wiederholten Exposition gegenüber Überdurchschnittliche Dosen von Gammastrahlen (wie sie beispielsweise von Astronauten erfahren werden) sind ein erhöhtes Risiko für Krebs. Dies ist etwas, was Life-Sciences-Experten in den Weltraumagenturen der Welt genau untersuchen.
• Röntgenstrahlen: Röntgenstrahlen sind wie Gammastrahlen eine Form elektromagnetischer Wellen (Licht). Sie werden normalerweise in zwei Klassen unterteilt: weiche Röntgenstrahlen (solche mit längeren Wellenlängen) und harte Röntgenstrahlen (solche mit kürzeren Wellenlängen). Je kürzer die Wellenlänge ist (d. H. Schwerer je röntgen) desto gefährlicher ist es. Aus diesem Grund werden in der medizinischen Bildgebung Röntgenstrahlen mit niedrigerer Energie verwendet. Die Röntgenstrahlen ionisieren typischerweise kleinere Atome, während größere Atome die Strahlung absorbieren können, da sie größere Lücken in ihren Ionisierungsenergien aufweisen. Dies ist der Grund, warum Röntgengeräte Dinge wie Knochen sehr gut abbilden (sie bestehen aus schwereren Elementen), während sie schlechte Bildgeber von Weichgewebe (leichtere Elemente) sind. Es wird geschätzt, dass Röntgengeräte und andere abgeleitete Geräte dafür verantwortlich sind zwischen 35-50% der ionisierenden Strahlung von Menschen in den Vereinigten Staaten erfahren.
• Alpha-Partikel: Ein Alpha-Teilchen (bezeichnet mit dem griechischen Buchstaben α) besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen; genau die gleiche Zusammensetzung wie ein Heliumkern. Wenn Sie sich auf den Alpha-Zerfallsprozess konzentrieren, der sie erzeugt, geschieht Folgendes: Das Alpha-Teilchen ist mit sehr hoher Geschwindigkeit (daher hoher Energie), üblicherweise über 5%, aus dem Elternkern ausgestoßen des Lichtgeschwindigkeit. Einige Alpha-Teilchen kommen in Form von auf die Erde kosmische Strahlung und kann Geschwindigkeiten von mehr als 10% der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Im Allgemeinen interagieren Alpha-Partikel jedoch über sehr kurze Entfernungen, sodass Alpha-Partikel-Strahlung hier auf der Erde keine direkte Bedrohung für das Leben darstellt. Es wird einfach von unserer äußeren Atmosphäre absorbiert. Wie auch immer, es ist eine Gefahr für Astronauten.
• Beta-Partikel: Als Ergebnis des Beta-Zerfalls sind Beta-Teilchen (normalerweise mit dem griechischen Buchstaben Β beschrieben) energetische Elektronen, die entweichen, wenn ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Anti-Zerfall zerfällt.Neutrino. Diese Elektronen sind energiereicher als Alpha-Teilchen, aber weniger als hochenergetische Gammastrahlen. Normalerweise sind Beta-Partikel für die menschliche Gesundheit nicht von Belang, da sie leicht abgeschirmt werden können. Künstlich erzeugte Beta-Partikel (wie in Beschleunigern) können leichter in die Haut eindringen, da sie eine erheblich höhere Energie haben. Einige Orte verwenden diese Partikelstrahlen, um verschiedene Arten von Krebs zu behandeln, da sie auf ganz bestimmte Regionen abzielen können. Der Tumor muss sich jedoch in der Nähe der Oberfläche befinden, um keine signifikanten Mengen an eingestreutem Gewebe zu beschädigen.
• Neutronenstrahlung: Bei Kernfusions- oder Kernspaltungsprozessen entstehen sehr energiereiche Neutronen. Sie können dann von einem Atomkern absorbiert werden, wodurch das Atom in einen angeregten Zustand übergeht und Gammastrahlen emittieren kann. Diese Photonen regen dann die Atome um sie herum an und erzeugen eine Kettenreaktion, die dazu führt, dass der Bereich radioaktiv wird. Dies ist eine der Hauptursachen für Verletzungen von Menschen bei Arbeiten an Kernreaktoren ohne geeignete Schutzausrüstung.

Während ionisierende Strahlung (oben) die Presse davon überzeugt, dass sie für den Menschen schädlich ist, kann nichtionisierende Strahlung auch erhebliche biologische Auswirkungen haben. Zum Beispiel kann nichtionisierende Strahlung Sonnenbrand verursachen. Es ist jedoch das, was wir verwenden, um Essen in Mikrowellenherden zu kochen. Nichtionisierende Strahlung kann auch in Form von Wärmestrahlung auftreten, die Material (und damit Atome) auf ausreichend hohe Temperaturen erwärmen kann, um eine Ionisierung zu verursachen. Dieser Prozess wird jedoch als anders angesehen als kinetische oder Photonenionisationsprozesse.

• Radiowellen: Radiowellen sind die längste Wellenlängenform elektromagnetischer Strahlung (Licht). Sie erstrecken sich über 1 Millimeter bis 100 Kilometer. Dieser Bereich überschneidet sich jedoch mit dem Mikrowellenband (siehe unten). Radiowellen werden natürlich von erzeugt aktive Galaxien (speziell aus der Umgebung supermassive Schwarze Löcher), Pulsare und in Supernova-Überreste. Sie werden aber auch künstlich für die Zwecke der Radio- und Fernsehübertragung hergestellt.
• Mikrowellen: Als Wellenlängen des Lichts zwischen 1 Millimeter und 1 Meter (1.000 Millimeter) definiert, werden Mikrowellen manchmal als Teilmenge von Radiowellen betrachtet. Tatsächlich ist Radioastronomie im Allgemeinen die Untersuchung des Mikrowellenbandes, da Strahlung mit längerer Wellenlänge sehr schwer zu erfassen ist, da Detektoren von immenser Größe erforderlich wären. daher nur wenige Peer jenseits der Wellenlänge von 1 Meter. Mikrowellen sind zwar nicht ionisierend, können jedoch für den Menschen gefährlich sein, da sie einem Gegenstand aufgrund seiner Wechselwirkungen mit Wasser und Wasserdampf eine große Menge Wärmeenergie verleihen können. (Dies ist auch der Grund, warum Mikrowellenobservatorien normalerweise an hohen, trockenen Orten auf der Erde aufgestellt werden, um die Interferenz zu verringern, die Wasserdampf in unserer Atmosphäre für das Experiment verursachen kann.
• Infrarotstrahlung: Infrarotstrahlung ist das Band elektromagnetischer Strahlung, das Wellenlängen zwischen 0,74 Mikrometern und 300 Mikrometern einnimmt. (Ein Meter hat 1 Million Mikrometer.) Infrarotstrahlung kommt dem optischen Licht sehr nahe, und daher werden sehr ähnliche Techniken verwendet, um es zu untersuchen. Es sind jedoch einige Schwierigkeiten zu überwinden. Infrarotlicht wird nämlich von Objekten erzeugt, die mit "Raumtemperatur" vergleichbar sind. Da die Elektronik zur Stromversorgung und Steuerung von Infrarot-Teleskopen bei solchen Temperaturen betrieben wird, geben die Instrumente selbst Infrarotlicht ab und stören die Datenerfassung. Daher werden die Instrumente mit flüssigem Helium gekühlt, um zu verhindern, dass fremde Infrarotphotonen in den Detektor gelangen. Das meiste von was Die Sonne Emissionen, die die Erdoberfläche erreichen, sind tatsächlich Infrarotlicht, wobei die sichtbare Strahlung nicht weit dahinter liegt (und ultraviolettes Drittel entfernt ist).

• Sichtbares (optisches) Licht: Der Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts beträgt 380 Nanometer (nm) und 740 nm. Dies ist die elektromagnetische Strahlung, die wir mit eigenen Augen erfassen können, alle anderen Formen sind für uns ohne elektronische Hilfsmittel unsichtbar. Sichtbares Licht ist eigentlich nur ein sehr kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums, weshalb es wichtig ist, alle anderen Wellenlängen in der Astronomie zu untersuchen, um ein vollständiges Bild des zu erhalten Universum und die physikalischen Mechanismen zu verstehen, die die Himmelskörper regieren.
• Schwarzkörperstrahlung: Ein schwarzer Körper ist ein Objekt, das beim Erhitzen elektromagnetische Strahlung abgibt. Die Spitzenwellenlänge des erzeugten Lichts ist proportional zur Temperatur (dies ist als Wiener Gesetz bekannt). Es gibt keinen perfekten schwarzen Körper, aber viele Objekte wie unsere Sonne, die Erde und die Spulen Ihres Elektroherds sind ziemlich gute Annäherungen.
• Wärmestrahlung: Wenn sich Partikel innerhalb eines Materials aufgrund ihrer Temperatur bewegen, kann die resultierende kinetische Energie als die gesamte Wärmeenergie des Systems beschrieben werden. Bei einem Schwarzkörperobjekt (siehe oben) kann die Wärmeenergie in Form von elektromagnetischer Strahlung aus dem System freigesetzt werden.

Wie wir sehen können, ist Strahlung einer der grundlegenden Aspekte des Universums. Ohne sie hätten wir kein Licht, keine Wärme, keine Energie und kein Leben.

Bearbeitet von Carolyn Collins Petersen.