La radiazione nello spazio fornisce indizi sull’universo

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.

Opera di un pianeta in orbita attorno a una pulsar. Le pulsar girano molto rapidamente le stelle di neutroni sono i nuclei morti di stelle massicce e ruotano sui loro assi spesso centinaia di volte al secondo. Irradiano onde radio e in luce ottica.
Mark Garlick / Science Photo Library (Getty Images)

Importanza per l'astronomia

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.

Tipi di radiazioni

La radiazione descrive le particelle elementari, i nuclei e le onde elettromagnetiche mentre si propagano nello spazio. Gli scienziati in genere fanno riferimento alle radiazioni in due modi: ionizzante e non ionizzante.

Radiazione ionizzante

La ionizzazione è il processo mediante il quale gli elettroni vengono rimossi da un atomo. Questo accade sempre 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.

Lo spettro elettromagnetico mostra una funzione di frequenza / lunghezza d'onda e temperatura.
Chandra X-Ray Observatory

L'energia di soglia minima necessaria per considerare la radiazione ionizzante è di circa 10 elettronvolt (10 eV). Esistono diverse forme di radiazione che esistono naturalmente al di sopra di questa soglia:

Raggi gamma: I raggi gamma (solitamente indicati con la lettera greca γ) sono una forma di radiazione elettromagnetica. Rappresentano le forme di luce a più alta energia nell'universo. I raggi gamma si verificano da una varietà di processi, che vanno dall'attività all'interno dei reattori nucleari alle esplosioni stellari chiamate supernove ed eventi altamente energetici noti come bursters di raggi gamma. Poiché i raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche, non interagiscono facilmente con gli atomi a meno che non si verifichi una collisione frontale. In questo caso il raggio gamma "decade" in una coppia elettrone-positrone. Tuttavia, se un raggio gamma viene assorbito da un'entità biologica (ad esempio una persona), si può provocare un danno significativo poiché è necessaria una notevole quantità di energia per fermare tale radiazione. In questo senso, i raggi gamma sono forse la forma di radiazione più pericolosa per l'uomo. Fortunatamente, sebbene possano penetrare per diversi chilometri nella nostra atmosfera prima di interagire con un atomo, la nostra atmosfera è abbastanza densa da assorbire la maggior parte dei raggi gamma prima di raggiungere il suolo. Tuttavia, gli astronauti nello spazio non sono protetti da loro e sono limitati alla quantità di tempo che possono trascorrere "fuori" da un veicolo spaziale o da una stazione spaziale. Mentre dosi molto elevate di radiazioni gamma possono essere fatali, il risultato più probabile di esposizioni ripetute a dosi di raggi gamma superiori alla media (come quelle sperimentate dagli astronauti, per esempio) è un aumento del rischio di cancro. Questo è qualcosa che gli esperti di scienze della vita delle agenzie spaziali mondiali 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 le lunghezze d'onda più lunghe) e raggi X duri (quelli con le lunghezze d'onda più corte). Più è corta la lunghezza d'onda (cioè più dura è la radiografia), più è pericolosa. Questo è il motivo per cui i raggi X a bassa energia vengono 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 spazi più ampi nelle loro energie di ionizzazione. Questo è il motivo per cui le macchine a raggi X riprodurranno molto bene 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 dalle 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 viene espulsa dal nucleo genitore con velocità molto elevata (quindi alta energia), solitamente superiore al 5% della velocità della luce. Alcune particelle alfa arrivano sulla Terra sotto forma di raggi cosmici e possono 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 delle particelle alfa non è una minaccia diretta per la vita. Viene semplicemente assorbito dalla nostra atmosfera esterna. Tuttavia, è un pericolo per gli astronauti.
Particelle beta: Il risultato del decadimento beta, le particelle beta (solitamente descritte dalla lettera greca Β) sono elettroni energetici che sfuggono quando un neutrone decade in un protone, un elettrone e un anti-neutrino. Questi elettroni sono più energetici delle particelle alfa ma meno dei raggi gamma ad alta energia. Normalmente, le particelle beta non sono un problema per la salute umana poiché sono facilmente schermate. Le particelle beta create artificialmente (come negli acceleratori) possono penetrare più facilmente nella pelle poiché hanno un'energia notevolmente più elevata. Alcuni luoghi utilizzano 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 intervallato.
Radiazione neutronica: I neutroni ad altissima energia vengono creati durante i processi di fusione nucleare o di fissione nucleare. Possono quindi essere assorbiti da un nucleo atomico, facendo entrare l'atomo in uno stato eccitato e può emettere raggi gamma. Questi fotoni ecciteranno quindi gli atomi intorno a loro, creando una reazione a catena, portando l'area a diventare radioattiva. Questo è uno dei principali modi in cui gli esseri umani vengono feriti mentre lavorano intorno ai reattori nucleari senza un equipaggiamento protettivo adeguato.

Radiazione non ionizzante

Mentre le radiazioni ionizzanti (sopra) attirano l'attenzione della stampa sull'essere dannose per l'uomo, le radiazioni non ionizzanti possono anche avere effetti biologici significativi. Ad esempio, le radiazioni non ionizzanti possono causare cose come le scottature solari. Tuttavia, è ciò 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 provocare la ionizzazione. Tuttavia, questo processo è considerato diverso dai processi di ionizzazione cinetica o fotonica.

La gamma molto ampia di radiotelescopi Karl Jansky si trova vicino a Socorro, nel New Mexico. Questo array si concentra sulle emissioni radio di una varietà di oggetti e processi nel cielo.
NRAO / AUI

Onde radio: Le onde radio sono la forma con lunghezza d'onda più lunga della radiazione elettromagnetica (luce). Si estendono da 1 millimetro a 100 chilometri. Questo intervallo, tuttavia, si sovrappone alla banda delle microonde (vedi sotto). Le onde radio sono prodotte naturalmente da galassie attive (in particolare dall'area intorno ai loro buchi neri supermassicci), pulsar e nei 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 delle onde radio. Infatti, la radioastronomia è generalmente lo studio della banda delle microonde, poiché la radiazione di lunghezza d'onda più lunga è molto difficile da rilevare in quanto richiederebbe rivelatori di dimensioni immense; quindi solo pochi peer oltre la lunghezza d'onda di 1 metro. Sebbene non ionizzanti, le microonde possono comunque essere pericolose per l'uomo in quanto possono impartire una grande quantità di energia termica a un oggetto a causa delle sue interazioni con l'acqua e il vapore acqueo. (Questo è anche il motivo per cui gli osservatori a microonde sono tipicamente 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 della radiazione elettromagnetica che occupa lunghezze d'onda comprese tra 0.74 micrometri fino a 300 micrometri. (Ci sono 1 milione di micrometri in un metro.) La radiazione infrarossa è molto vicina alla luce ottica, e quindi per studiarla vengono 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 utilizzando elio liquido, in modo da ridurre l'ingresso di fotoni infrarossi estranei nel rivelatore. La maggior parte di ciò che il Sole emette che raggiunge la superficie terrestre è in realtà luce infrarossa, con la radiazione visibile non molto indietro (e l'ultravioletto un terzo distante).

Una vista a infrarossi di una nuvola di gas e polvere prodotta da Spitzer Space Telescope. La nebulosa "Spider and Fly" è una regione che forma le stelle e la vista a infrarossi di Spitzer mostra le strutture nella nuvola colpite da un ammasso di stelle appena nate.
Telescopio spaziale Spitzer / NASA

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 aiuti elettronici. La luce visibile è in realtà solo una piccolissima parte dello spettro elettromagnetico, motivo per cui è importante studiare tutte le altre lunghezze d'onda in astronomia per avere un quadro completo dell'universo e per comprendere i meccanismi fisici che governano i corpi celesti.
Radiazione del 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 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.