Radiazioni nello spazio e in astronomia

L'astronomia è lo studio di oggetti nell'universo che irradiano (o riflettono) energia attraverso lo spettro elettromagnetico. Gli astronomi studiano le radiazioni da tutti gli oggetti nell'universo. Diamo uno sguardo approfondito alle forme di radiazione là fuori.

Per comprendere completamente l'universo, gli scienziati devono guardarlo attraverso l'intero spettro elettromagnetico. Ciò include le particelle ad alta energia come i raggi cosmici. Alcuni oggetti e processi sono in realtà completamente invisibili in determinate lunghezze d'onda (anche ottiche), motivo per cui gli astronomi le osservano in molte lunghezze d'onda. Qualcosa di invisibile a una lunghezza d'onda o frequenza può essere molto luminoso in un altro, e questo dice agli scienziati qualcosa di molto importante al riguardo.

Le radiazioni descrivono particelle elementari, nuclei e onde elettromagnetiche mentre si propagano nello spazio. Gli scienziati in genere fanno riferimento alle radiazioni in due modi: ionizzante e non ionizzante.

La ionizzazione è il processo mediante il quale gli elettroni vengono rimossi da un atomo. Questo accade tutto il tempo in natura e richiede semplicemente che l'atomo si scontri con un fotone o una particella con energia sufficiente per eccitare le elezioni. Quando ciò accade, l'atomo non può più mantenere il suo legame con la particella.

Alcune forme di radiazione trasportano energia sufficiente per ionizzare vari atomi o molecole. Possono causare danni significativi alle entità biologiche causando il cancro o altri significativi problemi di salute. L'entità del danno da radiazioni dipende da quanta radiazione è stata assorbita dall'organismo.

La soglia minima energia necessaria affinché le radiazioni siano considerate ionizzanti è di circa 10 elettronvolt (10 eV). Esistono diverse forme di radiazione che esistono naturalmente al di sopra di questa soglia:

• Raggi gamma: Raggi gamma (di solito designato dalla lettera greca γ) sono una forma di radiazione elettromagnetica. Rappresentano le più alte forme di energia della luce l'universo. I raggi gamma si verificano da una varietà di processi, che vanno dall'attività all'interno dei reattori nucleari alle esplosioni stellari chiamate supernovae ed eventi altamente energetici noti come lampi di raggi gamma. Poiché i raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche, non interagiscono prontamente con gli atomi a meno che non si verifichi una collisione frontale. In questo caso il raggio gamma "decadrà" in una coppia elettrone-positrone. Tuttavia, se un raggio gamma viene assorbito da un'entità biologica (ad esempio una persona), si può fare un danno significativo in quanto richiede una notevole quantità di energia per fermare tale radiazione. In questo senso, i raggi gamma sono forse la forma più pericolosa di radiazione per l'uomo. Fortunatamente, mentre possono penetrare per diverse miglia nella nostra atmosfera prima di interagire con un atomo, la nostra atmosfera è abbastanza densa da assorbire la maggior parte dei raggi gamma prima che raggiungano il suolo. Tuttavia, gli astronauti nello spazio mancano di protezione da loro e sono limitati alla quantità di tempo che possono trascorrere "al di fuori" di un veicolo spaziale o di una stazione spaziale. Mentre dosi molto elevate di radiazioni gamma possono essere fatali, il risultato più probabile a esposizioni ripetute a dosi superiori alla media di raggi gamma (come quelle sperimentate dagli astronauti, ad esempio) è un rischio maggiore di cancro. Questo è qualcosa che gli esperti di scienze della vita nelle agenzie spaziali del mondo studiano da vicino.
• Raggi X: i raggi X sono, come i raggi gamma, una forma di onde elettromagnetiche (luce). Di solito sono suddivisi in due classi: raggi X morbidi (quelli con lunghezze d'onda più lunghe) e raggi X duri (quelli con lunghezze d'onda più brevi). Più corta è la lunghezza d'onda (cioè il Più forte la radiografia) più è pericolosa. Questo è il motivo per cui i raggi X a bassa energia sono utilizzati nell'imaging medico. I raggi X in genere ionizzano gli atomi più piccoli, mentre gli atomi più grandi possono assorbire la radiazione poiché hanno maggiori lacune nelle loro energie di ionizzazione. Ecco perché le macchine a raggi X immagineranno molto bene le cose come le ossa (sono composte da elementi più pesanti) mentre sono cattive immagini di tessuti molli (elementi più leggeri). Si stima che le macchine a raggi X e altri dispositivi derivati ​​rappresentino tra il 35-50% delle radiazioni ionizzanti sperimentate da persone negli Stati Uniti.
• Particelle alfa: Una particella alfa (designata dalla lettera greca α) è composta da due protoni e due neutroni; esattamente la stessa composizione di un nucleo di elio. Concentrandosi sul processo di decadimento alfa che li crea, ecco cosa succede: la particella alfa è espulso dal nucleo genitore ad altissima velocità (quindi ad alta energia), solitamente superiore al 5% del velocità della luce. Alcune particelle alfa vengono sulla Terra sotto forma di Raggi cosmici e può raggiungere velocità superiori al 10% della velocità della luce. Generalmente, tuttavia, le particelle alfa interagiscono su distanze molto brevi, quindi qui sulla Terra, la radiazione di particelle alfa non è una minaccia diretta alla vita. È semplicemente assorbito dalla nostra atmosfera esterna. Comunque è un pericolo per gli astronauti.
• Particelle beta: Il risultato del decadimento beta, le particelle beta (di solito descritte dalla lettera greca Β) sono elettroni energetici che fuoriescono quando un neutrone decade in un protone, un elettrone e un anti-neutrino. Questi elettroni sono più energici delle particelle alfa ma meno dei raggi gamma ad alta energia. Normalmente, le particelle beta non destano preoccupazione per la salute umana in quanto sono facilmente schermabili. Le particelle beta create artificialmente (come negli acceleratori) possono penetrare più facilmente nella pelle poiché hanno un'energia considerevolmente più elevata. Alcuni luoghi usano questi fasci di particelle per trattare vari tipi di cancro a causa della loro capacità di colpire regioni molto specifiche. Tuttavia, il tumore deve essere vicino alla superficie per non danneggiare quantità significative di tessuto sparpagliato.
• Radiazione di neutroni: Durante la fusione nucleare o i processi di fissione nucleare vengono creati neutroni a energia molto elevata. Possono quindi essere assorbiti da un nucleo atomico, causando l'atomo di andare in uno stato eccitato e può emettere raggi gamma. Questi fotoni ecciteranno quindi gli atomi che li circondano, creando una reazione a catena, portando l'area a diventare radioattiva. Questo è uno dei modi principali in cui gli esseri umani vengono feriti mentre lavorano attorno ai reattori nucleari senza adeguati dispositivi di protezione.

Mentre le radiazioni ionizzanti (sopra) fanno sì che tutta la stampa sia dannosa per l'uomo, anche le radiazioni non ionizzanti possono avere effetti biologici significativi. Ad esempio, le radiazioni non ionizzanti possono causare scottature solari. Tuttavia, è quello che usiamo per cucinare il cibo nei forni a microonde. Le radiazioni non ionizzanti possono anche presentarsi sotto forma di radiazioni termiche, che possono riscaldare il materiale (e quindi gli atomi) a temperature sufficientemente elevate da causare la ionizzazione. Tuttavia, questo processo è considerato diverso dai processi di ionizzazione cinetica o fotonica.

• Onde radio: Le onde radio sono la forma di lunghezza d'onda più lunga della radiazione elettromagnetica (luce). Si estendono da 1 millimetro a 100 chilometri. Questa gamma, tuttavia, si sovrappone alla banda per microonde (vedi sotto). Le onde radio sono prodotte naturalmente da galassie attive (in particolare dalla zona circostante buchi neri supermassicci), pulsar e dentro resti di supernova. Ma sono anche creati artificialmente ai fini della trasmissione radiofonica e televisiva.
• microonde: Definite come lunghezze d'onda della luce comprese tra 1 millimetro e 1 metro (1.000 millimetri), le microonde sono talvolta considerate un sottoinsieme di onde radio. In effetti, la radioastronomia è generalmente lo studio della banda a microonde, poiché le radiazioni a lunghezza d'onda più lunga sono molto difficili da rilevare in quanto richiederebbero rivelatori di dimensioni immense; quindi solo pochi peer oltre la lunghezza d'onda di 1 metro. Sebbene non ionizzanti, le microonde possono ancora essere pericolose per l'uomo in quanto possono impartire una grande quantità di energia termica a un oggetto a causa delle sue interazioni con acqua e vapore acqueo. (Questo è anche il motivo per cui gli osservatori a microonde sono generalmente collocati in luoghi alti e asciutti sulla Terra, in modo da ridurre la quantità di interferenza che il vapore acqueo nella nostra atmosfera può causare all'esperimento.
• Radiazione infrarossa: La radiazione infrarossa è la banda di radiazione elettromagnetica che occupa lunghezze d'onda comprese tra 0,74 micrometri e 300 micrometri. (Ci sono 1 milione di micrometri in un metro.) Le radiazioni infrarosse sono molto vicine alla luce ottica, e quindi per studiare sono utilizzate tecniche molto simili. Tuttavia, ci sono alcune difficoltà da superare; vale a dire la luce infrarossa è prodotta da oggetti paragonabili alla "temperatura ambiente". Poiché l'elettronica utilizzata per alimentare e controllare i telescopi a infrarossi funzionerà a tali temperature, gli strumenti stessi emetteranno luce a infrarossi, interferendo con l'acquisizione dei dati. Pertanto gli strumenti vengono raffreddati usando elio liquido, in modo da ridurre l'ingresso nel rivelatore di fotoni a infrarossi estranei. La maggior parte di cosa il Sole emette che raggiunge la superficie terrestre è in realtà la luce infrarossa, con la radiazione visibile non molto indietro (e l'ultravioletto un terzo distante).

• Luce visibile (ottica): La gamma di lunghezze d'onda della luce visibile è di 380 nanometri (nm) e 740 nm. Questa è la radiazione elettromagnetica che siamo in grado di rilevare con i nostri occhi, tutte le altre forme ci sono invisibili senza ausili elettronici. La luce visibile è in realtà solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico, motivo per cui è importante studiare tutte le altre lunghezze d'onda in astronomia per ottenere un quadro completo della universo e comprendere i meccanismi fisici che governano i corpi celesti.
• Radiazione di corpo nero: Un corpo nero è un oggetto che emette radiazioni elettromagnetiche quando viene riscaldato, la lunghezza d'onda di picco della luce prodotta sarà proporzionale alla temperatura (questa è nota come Legge di Wien). Non esiste un corpo nero perfetto, ma molti oggetti come il nostro Sole, la Terra e le bobine sulla tua stufa elettrica sono approssimazioni piuttosto buone.
• Radiazione termica: Quando le particelle all'interno di un materiale si muovono a causa della loro temperatura, l'energia cinetica risultante può essere descritta come l'energia termica totale del sistema. Nel caso di un oggetto corpo nero (vedi sopra) l'energia termica può essere rilasciata dal sistema sotto forma di radiazione elettromagnetica.

La radiazione, come possiamo vedere, è uno degli aspetti fondamentali dell'universo. Senza di essa, non avremmo luce, calore, energia o vita.

A cura di Carolyn Collins Petersen.