קרינה בחלל ובאסטרונומיה

אסטרונומיה היא חקר אובייקטים ביקום המקרינים (או משקפים) אנרגיה מרחבי הספקטרום האלקטרומגנטי. אסטרונומים חוקרים קרינה מכל האובייקטים ביקום. בואו נסתכל לעומק על צורות הקרינה שם בחוץ.

בכדי להבין לחלוטין את היקום, על המדענים להתבונן בו על פני כל הספקטרום האלקטרומגנטי. זה כולל את חלקיקי האנרגיה הגבוהה כמו קרניים קוסמיות. כמה אובייקטים ותהליכים נראים למעשה לחלוטין באורכי גל מסוימים (אפילו אופטיים), וזו הסיבה שאסטרונומים מסתכלים עליהם באורכי גל רבים. משהו בלתי נראה באורך גל אחד או בתדר אחד עשוי להיות בהיר מאוד באחר, וזה אומר למדענים משהו מאוד חשוב על זה.

קרינה מתארת ​​חלקיקים יסודיים, גרעינים וגלים אלקטרומגנטיים בזמן שהם מתפשטים בחלל. מדענים מתייחסים לרוב לקרינה בשתי דרכים: מייננת ולא מייננת.

יינון הוא התהליך שבאמצעותו מוציאים אלקטרונים מאטום. זה קורה כל הזמן בטבע, וזה רק מחייב את האטום להתנגש בפוטון או בחלקיק עם מספיק אנרגיה כדי לעורר את הבחירות. כאשר זה קורה, האטום כבר לא יכול לשמור על הקשר שלו לחלקיק.

צורות מסוימות של קרינה נושאות מספיק אנרגיה כדי ליינן אטומים או מולקולות שונות. הם יכולים לגרום נזק משמעותי לגורמים ביולוגיים על ידי גרימת סרטן או בעיות בריאותיות משמעותיות אחרות. היקף נזקי הקרינה הוא עניין של כמה קרינה ספגה על ידי האורגניזם.

סף המינימום אנרגיה הדרושה לקרינה כדי להיחשב מייננת הוא בערך 10 וולט אלקטרונים (10 eV). ישנן כמה צורות של קרינה שקיימות באופן טבעי מעל סף זה:

• קרני גמא: קרני גמא (המיועדים בדרך כלל על ידי האות היוונית γ) הם סוג של קרינה אלקטרומגנטית. הם מייצגים את צורות האור האנרגטיות הגבוהות ביותר היקום. קרני הגמא מתרחשות ממגוון תהליכים, החל מפעילות בתוך כורים גרעיניים ועד פיצוצים מהממים הנקראים סופרנובות ואירועים אנרגטיים במיוחד המכונים בורסטרים מקרני גאמה. מכיוון שקרני הגמא הן קרינה אלקטרומגנטית, הן אינן מתקשרות בקלות עם אטומים אלא אם כן מתרחשת התנגשות חזיתית. במקרה זה קרן הגמא "תתפרק" לזוג אלקטרונים-פוזיטרון. עם זאת, אם קרן גאמה תיספג על ידי ישות ביולוגית (למשל אדם), אזי ניתן להסב נזק משמעותי מכיוון שנדרש כמות ניכרת של אנרגיה כדי לעצור קרינה כזו. במובן זה, קרני גאמה הן אולי צורת הקרינה המסוכנת ביותר לבני אדם. למרבה המזל, בעוד שהם יכולים לחדור כמה קילומטרים לאטמוספירה שלנו לפני שהם מתקשרים עם אטום, האטמוספירה שלנו סמיכה דיה עד שרוב קרני הגמא נקלטות לפני שהם מגיעים לאדמה. עם זאת, אסטרונאוטים בחלל חסרים הגנה מפניהם, והם מוגבלים לכמות הזמן שהם יכולים לבלות "מחוץ" לחללית או לתחנת חלל. בעוד שמינונים גבוהים מאוד של קרינת גמא עלולים להיות קטלניים, התוצאה הסבירה ביותר לחשיפות חוזרות ונשנות אליהם מינונים של קרני גמא מעל הממוצע (כמו אלו שחווים אסטרונאוטים למשל) מהווים סיכון מוגבר ל סרטן. זה משהו שמומחים למדעי החיים בסוכנויות החלל בעולם לומדים מקרוב.
• צילומי רנטגן: קרני רנטגן הן, כמו קרני גאמה, סוג של גלים אלקטרומגנטיים (אור). לרוב הם מחולקים לשתי מחלקות: צילומי רנטגן רכים (אלה עם אורכי הגל הארוכים יותר) וצילומי רנטגן קשים (אלו עם אורכי הגל הקצרים יותר). אורך הגל קצר יותר (כלומר קשה יותר הרנטגן) כך הוא מסוכן יותר. זו הסיבה שמשמשים לצילומי רנטגן באנרגיה נמוכה יותר בהדמיה רפואית. קרני הרנטגן בדרך כלל מייננות אטומים קטנים יותר, ואילו אטומים גדולים יותר יכולים לספוג את הקרינה מכיוון שיש להם פערים גדולים יותר באנרגיות היינון שלהם. זו הסיבה שמכונות רנטגן תצלמו היטב דברים כמו עצמות (הן מורכבות מאלמנטים כבדים יותר) בעוד שהן תמונות דלות של רקמות רכות (יסודות קלים יותר). ההערכה היא שמכונות רנטגן, ומכשירים נגזרים אחרים, אחראים בין 35-50% מהקרינה המייננת שחווים אנשים בארצות הברית.
• חלקיקי אלפא: חלקיק אלפא (המיועד על ידי האות היוונית α) מורכב משני פרוטונים ושני נויטרונים; בדיוק אותו הרכב כמו גרעין הליום. התמקדות בתהליך דעיכת האלפא שיוצר אותם, הנה מה שקורה: החלקיק של האלפא הוא נפלט מגרעין האב במהירות גבוהה מאוד (ולכן אנרגיה גבוהה), בדרך כלל מעל 5% של ה מהירות האור. חלקיקי אלפא מסוימים מגיעים לכדור הארץ בצורה של קרניים קוסמיות ועשוי להשיג מהירויות העולות על 10% ממהירות האור. עם זאת, באופן כללי, חלקיקי אלפא מתקיימים אינטראקציה לאורך מרחקים קצרים מאוד, כך שכאן על כדור הארץ, קרינת חלקיקי אלפא אינה מהווה איום ישיר על החיים. זה פשוט נקלט באווירה החיצונית שלנו. עם זאת, זה הוא סכנה לאסטרונאוטים.
• חלקיקי בטא: התוצאה של ריקבון בטא, חלקיקי בטא (המתוארים בדרך כלל על ידי האות היוונית Β) הם אלקטרונים אנרגטיים הנמלטים כאשר נויטרון מתפרק לפרוטון, אלקטרונים ואנטי-נייטרינו. אלקטרונים אלה הם אנרגטיים יותר מחלקיקי אלפא אך פחות ממקרי קרני גאמה באנרגיה גבוהה. בדרך כלל, חלקיקי בטא אינם מודאגים לבריאות האדם מכיוון שהם מוגנים בקלות. חלקיקי בטא שנוצרו באופן מלאכותי (כמו במאיצים) יכולים לחדור לעור ביתר קלילות מכיוון שיש להם אנרגיה גבוהה משמעותית. בחלק מהמקומות משתמשים בקורות החלקיקים הללו לטיפול בסוגים שונים של סרטן בגלל יכולתם לכוון לאזורים ספציפיים מאוד. עם זאת, הגידול צריך להיות קרוב לפני השטח מכיוון שלא יפגע בכמויות משמעותיות של רקמות שזורות.
• קרינת נויטרון: נויטרונים בעלי אנרגיה גבוהה מאוד נוצרים במהלך היתוך גרעיני או תהליכי ביקוע גרעיניים. לאחר מכן הם יכולים להיספג על ידי גרעין אטומי, ולגרום לאטום להיכנס למצב נרגש והוא יכול לפלוט קרני גאמה. לאחר מכן פוטונים אלה ירגשו את האטומים סביבם ויוצרים תגובת שרשרת, מה שיוביל לאזור להפוך לרדיואקטיבי. זו אחת הדרכים העיקריות שבני אדם נפגעים בזמן שהם עובדים סביב כורים גרעיניים ללא ציוד הגנה מתאים.

בעוד שקרינה מייננת (למעלה) מקבלת את כל העיתונות על פגיעה בבני אדם, קרינה לא מייננת יכולה גם להיות בעלת השפעות ביולוגיות משמעותיות. למשל, קרינה לא מייננת עלולה לגרום לדברים כמו כוויות שמש. עם זאת, זה מה שאנו משתמשים בבישול מזון בתנורי מיקרוגל. קרינה לא מייננת יכולה להגיע גם בצורת קרינה תרמית, שיכולה לחמם חומר (ומכאן אטומים) לטמפרטורות גבוהות מספיק בכדי לגרום ליינון. עם זאת, תהליך זה נחשב שונה מתהליכים קיוניים או יינון פוטון.

• גלי רדיו: גלי רדיו הם צורת אורך הגל הארוך ביותר של קרינה אלקטרומגנטית (אור). הם משתרעים על פני מילימטר עד 100 ק"מ. עם זאת, טווח זה חופף לפס המיקרוגל (ראה להלן). גלי רדיו מיוצרים באופן טבעי על ידי גלקסיות פעילות (במיוחד מהאזור סביבם חורים שחורים סופר-מסיביים), פולסים ובתוך שרידי סופרנובה. אך הם נוצרים גם באופן מלאכותי למטרות שידור רדיו וטלוויזיה.
• מיקרוגל: מוגדרים כאורכי גל של אור בין מילימטר למטר (1,000 מילימטרים), לפעמים מיקרוגלים נחשבים לתת קבוצה של גלי רדיו. למעשה, אסטרונומיה ברדיו היא בדרך כלל המחקר של פס המיקרוגל, שכן קשה מאוד לזהות קרינה באורך הגל הארוך, מכיוון שהיא תדרוש גלאים בגודל עצום; מכאן שרק מעטים מציגים מעבר לאורך הגל של מטר. למרות שאינם מיוננים, מיקרוגל עדיין יכולה להיות מסוכנת לבני אדם מכיוון שהיא יכולה להעביר כמות גדולה של אנרגיה תרמית לפריט בגלל יחסי הגומלין שלה עם מים ואדי מים. (זו גם הסיבה שמצפה מיקרוגל בדרך כלל ממוקם במקומות גבוהים ויבשים על כדור הארץ, כדי להפחית את כמות ההפרעה שאדי מים באטמוספירה שלנו יכולים לגרום לניסוי.
• קרינה אינפרא - אדומה: קרינה אינפרא אדום היא פס הקרינה האלקטרומגנטית התופסת אורכי גל בין 0.74 מיקרומטר עד 300 מיקרומטר. (יש כמיליון מיקרומטר במטר אחד.) קרינת אינפרא אדום קרובה מאוד לאור אופטי, ולכן משתמשים בטכניקות דומות מאוד לחקרו. עם זאת, ישנם כמה קשיים להתגבר עליהם; כלומר אור אינפרא אדום מיוצר על ידי אובייקטים הדומים ל"טמפרטורת החדר ". מכיוון שהאלקטרוניקה המשמשת לשלטון ובקרה של טלסקופים אינפרא אדום תפעל בטמפרטורות כאלה, המכשירים עצמם ישאירו אור אינפרא אדום, מה שיפריע לרכישת נתונים. לכן מכשירים מקררים בעזרת הליום נוזלי, על מנת להפחית פוטונים אינפרא אדום חיצוניים מכניסתם לגלאי. רוב מה השמש הפולט שמגיע לפני השטח של כדור הארץ הוא למעשה אור אינפרא אדום, כאשר הקרינה הנראית לעין לא הרחק מאחור (והאולטרה סגול הוא שליש רחוק).

• אור גלוי (אופטי)טווח אורכי הגל של האור הנראה הוא 380 ננומטר (ננומטר) ו- 740 ננומטר. זו הקרינה האלקטרומגנטית שאנו מסוגלים לזהות במו עינינו, כל שאר הצורות אינן נראות לנו ללא עזרים אלקטרוניים. האור הנראה הוא למעשה רק חלק קטן מאוד מהספקטרום האלקטרומגנטי, וזו הסיבה שחשוב ללמוד את כל אורכי הגל האחרים באסטרונומיה כדי לקבל תמונה מלאה של יקום ולהבין את המנגנונים הפיזיים השולטים בגופי השמיים.
• קרינת גוף שחור: גוף שחור הוא אובייקט הפולט קרינה אלקטרומגנטית כאשר הוא מחומם, אורך גל השיא של האור המיוצר יהיה פרופורציונאלי לטמפרטורה (זה מכונה החוק של וינה). אין דבר כזה שחור מושלם, אבל חפצים רבים כמו השמש שלנו, כדור הארץ והסלילים שעל הכיריים החשמליים שלך הם קירובים די טובים.
• קרינה תרמית: ככל שחלקיקים בתוך חומר נעים בגלל הטמפרטורה שלהם, ניתן לתאר את האנרגיה הקינטית כתוצאה מהאנרגיה התרמית הכוללת של המערכת. במקרה של חפץ גוף שחור (ראה לעיל) ניתן לשחרר את האנרגיה התרמית מהמערכת בצורה של קרינה אלקטרומגנטית.

קרינה, כפי שאנו רואים, היא אחד ההיבטים הבסיסיים של היקום. בלעדיו לא היה לנו אור, חום, אנרגיה או חיים.

נערך על ידי קרולין קולינס פיטרסן.