Strahlung im Weltraum gibt Hinweise auf das Universum

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. Lassen Sie uns einen detaillierten Blick auf die Strahlungsformen werfen.

Kunstwerk eines Planeten, der einen Pulsar umkreist. Pulsare sind sehr schnell rotierende Neutronensterne, die tote Kerne massereicher Sterne sind und sich oft hunderte Male pro Sekunde um ihre Achse drehen. Sie strahlen Radiowellen und optisches Licht aus. Mark Garlick / Wissenschaftsfotobibliothek (Getty Images)

Bedeutung für die Astronomie

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

Arten von Strahlung

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

Ionisierende Strahlung

Ionisation ist der Prozess, bei dem Elektronen aus einem Atom entfernt werden. Dies geschieht in der Natur ständig, und es ist lediglich erforderlich, dass das Atom mit einem Photon oder Teilchen kollidiert, das genug Energie hat, um die Wahl (en) anzuregen. In diesem Fall kann das Atom seine Bindung zum Partikel 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 erhebliche Gesundheitsprobleme verursachen. Das Ausmaß der Strahlenschäden hängt davon ab, wie viel Strahlung vom Organismus absorbiert wurde.

Das elektromagnetische Spektrum zeigt sich in Abhängigkeit von Frequenz / Wellenlänge und Temperatur. Chandra Röntgenobservatorium

Die Mindestschwellenenergie, die erforderlich ist, damit Strahlung als ionisierend betrachtet wird, beträgt etwa 10 Elektronenvolt (10 eV). Es gibt verschiedene Arten von Strahlung, die natürlich oberhalb dieser Schwelle existieren:

• Gamma Strahlen: Gammastrahlen (normalerweise mit dem griechischen Buchstaben γ bezeichnet) sind eine Form elektromagnetischer Strahlung. Sie repräsentieren die energiereichsten Lichtformen im Universum. Gammastrahlen treten bei einer Vielzahl von Prozessen auf, von der Aktivität in Kernreaktoren bis hin zu Supernovae genannten Sternexplosionen und hochenergetischen Ereignissen, die als Gammastrahlen-Burster bezeichnet werden. Da es sich bei Gammastrahlen um elektromagnetische Strahlung handelt, treten sie nur dann mit Atomen in Wechselwirkung, wenn eine Frontalkollision auftritt. In diesem Fall "zerfällt" der Gammastrahl in ein Elektron-Positron-Paar. Sollte jedoch eine Gammastrahlung von einer biologischen Einheit (z. B. einer Person) absorbiert werden, kann dies erheblichen Schaden anrichten, da eine beträchtliche Energiemenge erforderlich ist, um eine solche Strahlung zu stoppen. In diesem Sinne sind Gammastrahlen möglicherweise die gefährlichste Form der Strahlung für den Menschen. Zum Glück können sie mehrere Meilen in unsere Atmosphäre eindringen, bevor sie mit einem Atom interagieren. Unsere Atmosphäre ist jedoch so dick, dass die meisten Gammastrahlen absorbiert werden, bevor sie den Boden erreichen. Astronauten im Weltraum haben jedoch keinen Schutz vor ihnen und sind auf die Zeit begrenzt, die sie "außerhalb" eines Raumfahrzeugs oder einer Raumstation verbringen können. Während sehr hohe Dosen von Gammastrahlung tödlich sein können, ist das wahrscheinlichste Ergebnis wiederholter Exposition gegenüber überdurchschnittlichen Dosen von Gammastrahlung (wie sie beispielsweise Astronauten ausgesetzt sind) ein erhöhtes Krebsrisiko. Dies ist etwas, das Life-Sciences-Experten der Weltraumagenturen genau studieren.
• Röntgenstrahlen: Röntgenstrahlen sind wie Gammastrahlen eine Form elektromagnetischer Wellen (Licht). Sie werden normalerweise in zwei Klassen unterteilt: weiche Röntgenstrahlen (mit längeren Wellenlängen) und harte Röntgenstrahlen (mit kürzeren Wellenlängen). Je kürzer die Wellenlänge (d. H Schwerer je röntgenstrahl) 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. Das ist der Grund, warum Röntgengeräte Knochen sehr gut abbilden (sie bestehen aus schwereren Elementen), während sie die Weichgewebe schlecht abbilden (leichtere Elemente). Es wird geschätzt, dass Röntgengeräte und andere abgeleitete Geräte zwischen 35 und 50% der ionisierenden Strahlung ausmachen, die Menschen in den USA ausgesetzt sind.
• Alphateilchen: Ein Alpha-Teilchen (mit dem griechischen Buchstaben α bezeichnet) besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen; genau die gleiche Zusammensetzung wie ein Heliumkern. Wenn wir uns auf den Alpha-Zerfallsprozess konzentrieren, der sie erzeugt, geschieht Folgendes: Das Alpha-Teilchen wird mit einer sehr hohen Geschwindigkeit (daher hoher Energie) aus dem Elternkern ausgestoßen, die in der Regel mehr als 5% der Lichtgeschwindigkeit beträgt. Einige Alpha-Teilchen kommen in Form von kosmischen Strahlen auf die Erde und können Geschwindigkeiten von mehr als 10% der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Im Allgemeinen interagieren Alphateilchen jedoch über sehr kurze Entfernungen. Daher ist Alphateilchenstrahlung hier auf der Erde keine direkte Bedrohung für das Leben. Es wird einfach von unserer äußeren Atmosphäre aufgenommen. Wie auch immer, es ist eine Gefahr für Astronauten. 
• Beta-Partikel: Das Ergebnis des Beta-Zerfalls sind Beta-Teilchen (normalerweise durch den griechischen Buchstaben Β beschrieben) energetische Elektronen, die entweichen, wenn ein Neutron in Proton, Elektron und Antineutrino zerfällt. Diese Elektronen sind energiereicher als Alphateilchen, aber weniger als energiereiche Gammastrahlen. Normalerweise sind Betateilchen für die menschliche Gesundheit nicht von Belang, da sie leicht abgeschirmt werden können. Künstlich erzeugte Beta-Partikel (wie in Beschleunigern) können aufgrund ihrer wesentlich höheren Energie leichter in die Haut eindringen. Einige Orte verwenden diese Partikelstrahlen zur Behandlung verschiedener Krebsarten, da sie auf ganz bestimmte Regionen abzielen können. Der Tumor muss sich jedoch in der Nähe der Oberfläche befinden, um keine signifikanten Mengen von eingestreutem Gewebe zu beschädigen.
• Neutronenstrahlung: Bei der Kernfusion oder Kernspaltung 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 werden dann die Atome um sie herum anregen und eine Kettenreaktion auslösen, die dazu führt, dass der Bereich radioaktiv wird. Dies ist eine der Hauptursachen für Verletzungen von Menschen, wenn sie ohne geeignete Schutzausrüstung an Kernreaktoren arbeiten.

Nichtionisierende Strahlung

Während ionisierende Strahlung (oben) in aller Munde ist, schädlich für den Menschen zu sein, kann nichtionisierende Strahlung auch erhebliche biologische Auswirkungen haben. Beispielsweise kann nicht ionisierende Strahlung Sonnenbrände verursachen. Doch damit kochen wir Lebensmittel in Mikrowellenherden. Nichtionisierende Strahlung kann auch in Form von Wärmestrahlung auftreten, die das Material (und damit die Atome) auf ausreichend hohe Temperaturen erwärmen kann, um eine Ionisierung hervorzurufen. Dieser Prozess unterscheidet sich jedoch von kinetischen oder Photonenionisationsprozessen.

Das Karl Jansky Very Large Array von Radioteleskopen befindet sich in der Nähe von Socorro, New Mexico. Dieses Array konzentriert sich auf Funkemissionen von verschiedenen Objekten und Prozessen am Himmel. NRAO / AUI

• Radiowellen: Radiowellen sind die langwelligste Form elektromagnetischer Strahlung (Licht). Sie überspannen 1 Millimeter bis 100 Kilometer. Dieser Bereich überlappt sich jedoch mit dem Mikrowellenband (siehe unten). Radiowellen werden auf natürliche Weise von aktiven Galaxien (speziell aus dem Gebiet um ihre supermassiven Schwarzen Löcher), Pulsaren und in Supernova-Überresten erzeugt. Sie werden aber auch künstlich zum Zweck der Rundfunk- und Fernsehübertragung geschaffen.
• Mikrowellen: Als Wellenlängen von Licht zwischen 1 Millimeter und 1 Meter (1.000 Millimeter) definiert, werden Mikrowellen manchmal als Teilmenge von Radiowellen betrachtet. In der Tat ist Radioastronomie im Allgemeinen das Studium des Mikrowellenbandes, da längerwellige Strahlung sehr schwer zu erfassen ist, da sie Detektoren von immenser Größe erfordern würde; daher nur wenige Peer jenseits der 1-Meter-Wellenlänge. Mikrowellen sind zwar nicht ionisierend, können jedoch für den Menschen gefährlich sein, da sie aufgrund ihrer Wechselwirkungen mit Wasser und Wasserdampf einem Gegenstand eine große Menge an Wärmeenergie verleihen können. (Dies ist auch der Grund, warum Mikrowellenobservatorien in der Regel 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 elektromagnetische Strahlungsband, das Wellenlängen zwischen 0,74 Mikrometer und 300 Mikrometer einnimmt. (Ein Meter hat eine Größe von 1 Million Mikrometern.) Infrarotstrahlung kommt optischem Licht sehr nahe und wird daher mit sehr ähnlichen Techniken untersucht. Es sind jedoch einige Schwierigkeiten zu überwinden; Infrarotlicht wird nämlich von Objekten erzeugt, die mit "Raumtemperatur" vergleichbar sind. Da die zur Stromversorgung und Steuerung von Infrarot-Teleskopen verwendete Elektronik bei solchen Temperaturen betrieben wird, geben die Instrumente selbst Infrarotlicht ab, was die Datenerfassung stört. Daher werden die Instrumente mit flüssigem Helium gekühlt, um das Eindringen von fremden Infrarotphotonen in den Detektor zu verhindern. Das meiste, was die Sonne emittiert, das die Erdoberfläche erreicht, ist tatsächlich Infrarotlicht, wobei die sichtbare Strahlung nicht weit dahinter liegt (und ein entferntes Drittel ultraviolett ist)..

Infrarotaufnahme einer Gas- und Staubwolke des Spitzer-Weltraumteleskops. Der "Spider and Fly" -Nebel ist eine sternbildende Region, und Spitzers Infrarotansicht zeigt Strukturen in der Wolke, die von einer Ansammlung neugeborener Sterne betroffen sind. Spitzer-Weltraumteleskop / NASA

• Sichtbares (optisches) Licht: Der Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts beträgt 380 Nanometer (nm) und 740 nm. Dies ist die elektromagnetische Strahlung, die wir mit unseren 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 Universums zu erhalten und die physikalischen Mechanismen zu verstehen, die die Himmelskörper steuern.
• Schwarzkörperstrahlung: Ein schwarzer Körper ist ein Objekt, das elektromagnetische Strahlung abgibt, wenn es erwärmt wird. Die Spitzenwellenlänge des erzeugten Lichts ist proportional zur Temperatur (bekannt als Wiensches Gesetz). Es gibt keinen perfekten schwarzen Körper, aber viele Objekte wie unsere Sonne, die Erde und die Spulen auf Ihrem Elektroherd sind ziemlich gute Näherungswerte.
• Wärmestrahlung: Wenn sich Partikel innerhalb eines Materials aufgrund ihrer Temperatur bewegen, kann die resultierende kinetische Energie als die gesamte thermische Energie des Systems beschrieben werden. Bei einem Schwarzkörperobjekt (so) kann die Wärmeenergie in Form von elektromagnetischer Strahlung aus dem System freigesetzt werden.

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

Herausgegeben von Carolyn Collins Petersen.