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Strahlung im Weltraum und Astronomie – Definition

Strahlung im Weltraum und Astronomie – Definition

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.

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

 

Bedeutung für die Astronomie

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 darüber.

 

Arten von Strahlung

Strahlung beschreibt Elementarteilchen, Kerne und elektromagnetische Wellen, die sich durch den 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 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.

Das elektromagnetische Spektrum zeigt sich als Funktion von Frequenz / Wellenlänge und Temperatur. Chandra Röntgenobservatorium

Die minimale Schwellenenergie, die erforderlich ist, damit Strahlung als ionisierend angesehen werden kann, beträgt etwa 10 Elektronenvolt (10 eV). Es gibt verschiedene Arten von Strahlung, die natürlich oberhalb dieser Schwelle existieren:

    • Gammastrahlen : 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, die von Aktivitäten in Kernreaktoren über Sternexplosionen, sogenannte Supernovae, bis hin zu hochenergetischen Ereignissen, die als Gammastrahlenburster bekanntsind, reichen . Da Gammastrahlen elektromagnetische Strahlung sind, interagieren sie nicht leicht mit Atomen, es sei denn, es kommt zu einer Frontalkollision. 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 Menge an Energie erforderlich ist, um eine solche Strahlung zu stoppen. In diesem Sinne sind Gammastrahlen möglicherweise die gefährlichste Form der Strahlung für den Menschen. 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 das wahrscheinlichste Ergebnis einer wiederholten Exposition gegenüber überdurchschnittlichen Dosen von Gammastrahlen (wie sie beispielsweise von Astronauten erfahren werden) ein erhöhtes Krebsrisiko. Dies ist etwas, was Life-Science-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 (dh je härter die Röntgenstrahlung) ist, desto gefährlicher ist sie. 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 zwischen 35 und 50% der ionisierenden Strahlung ausmachen, die Menschen in den USA erfahren.
    • Alpha-Teilchen : 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 wird mit sehr hoher Geschwindigkeit (daher hoher Energie) aus dem Elternkern ausgestoßen, normalerweise über 5% der Lichtgeschwindigkeit. 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 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. Es ist jedoch eine Gefahr für Astronauten.

 

    • Beta – Teilchen : Das Ergebnis des Beta – Zerfalls, Beta – Teilchen ( in der Regel durch den griechischen Buchstaben Β beschrieben) sind energetische Elektronen , die Flucht , wenn ein Neutron zerfällt in ein Proton, Elektron und Antineutrino. 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, wenn sie an Kernreaktoren ohne geeignete Schutzausrüstung arbeiten.

 

 

Nichtionisierende Strahlung

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.

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
    • Funkwellen. Funkwellen sind die längste Wellenlänge Form von elektromagnetischer Strahlung (Licht). Sie erstrecken sich über 1 Millimeter bis 100 Kilometer. Dieser Bereich überschneidet sich jedoch mit dem Mikrowellenband (siehe unten). Radiowellen werden auf natürliche Weise von aktiven Galaxien (speziell aus dem Bereich um ihre supermassiven Schwarzen Löcher ), Pulsaren und in Supernova-Überresten erzeugt. 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 an 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. nämlich Infrarotlicht wird 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, was die Sonne emittiert und die Erdoberfläche erreicht, ist tatsächlich Infrarotlicht, wobei die sichtbare Strahlung nicht weit dahinter liegt (und ultraviolettes ein entferntes Drittel).
Eine Infrarotansicht einer Gas- und Staubwolke von Spitzer Space Telescope. 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 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 Schwarzkörper 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.

Herausgegeben von Carolyn Collins Petersen.

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