الإشعاع في الفضاء وعلم الفلك

علم الفلك هو دراسة الأجسام في الكون التي تشع (أو تعكس) الطاقة عبر الطيف الكهرومغناطيسي. يدرس علماء الفلك الإشعاع من جميع الأجسام في الكون. دعونا نلقي نظرة متعمقة على أشكال الإشعاع الموجودة.

من أجل فهم الكون تمامًا ، يجب على العلماء النظر إليه عبر الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله. وهذا يشمل الجسيمات عالية الطاقة مثل الأشعة الكونية. بعض الأشياء والعمليات غير مرئية في الواقع في أطوال موجية معينة (حتى بصرية) ، وهذا هو السبب في أن علماء الفلك ينظرون إليها في العديد من الأطوال الموجية. شيء غير مرئي عند طول موجة أو تردد قد يكون ساطعًا جدًا في آخر ، وهذا يخبر العلماء بشيء مهم جدًا بشأنه.

يصف الإشعاع الجسيمات الأولية والنوى والموجات الكهرومغناطيسية أثناء انتشارها عبر الفضاء. عادة ما يشير العلماء إلى الإشعاع بطريقتين: التأين وغير التأين.

التأين هو العملية التي يتم من خلالها إزالة الإلكترونات من الذرة. يحدث هذا طوال الوقت في الطبيعة ، ويتطلب فقط ذرة لتصطدم بفوتون أو جسيم بطاقة كافية لإثارة الانتخاب. عندما يحدث هذا ، لا يمكن للذرة الحفاظ على ارتباطها بالجسيم.

تحمل بعض أشكال الإشعاع طاقة كافية لتأين الذرات أو الجزيئات المختلفة. يمكن أن تتسبب في ضرر كبير للكيانات البيولوجية عن طريق التسبب في السرطان أو مشاكل صحية كبيرة أخرى. مدى الضرر الإشعاعي هو مسألة مقدار الإشعاع الذي امتصه الكائن الحي.

الحد الأدنى الطاقة اللازمة للإشعاع المؤين حوالي 10 فولت إلكترون (10 فولت). هناك العديد من أشكال الإشعاع الموجودة بشكل طبيعي فوق هذا الحد:

• أشعة غاما: أشعة غاما (عادة ما يتم تعيينها بالحرف اليوناني γ) هي شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي. إنها تمثل أعلى أشكال الطاقة في الضوء الكون. تحدث أشعة جاما من مجموعة متنوعة من العمليات ، بدءًا من النشاط داخل المفاعلات النووية إلى الانفجارات النجمية التي تسمى السوبرنوفا والأحداث النشطة للغاية المعروفة باسم انفجارات أشعة جاما. بما أن أشعة جاما هي إشعاع كهرومغناطيسي ، فإنها لا تتفاعل بسهولة مع الذرات ما لم يحدث تصادم مباشر. في هذه الحالة سوف "تتحلل" أشعة غاما في زوج إلكترون بوزيترون. ومع ذلك ، إذا تم امتصاص أشعة جاما من قبل كيان بيولوجي (على سبيل المثال شخص) ، فيمكن أن يحدث ضرر كبير حيث يستغرق الأمر كمية كبيرة من الطاقة لوقف مثل هذا الإشعاع. بهذا المعنى ، ربما تكون أشعة جاما أخطر أشكال الإشعاع على البشر. لحسن الحظ ، بينما يمكنهم اختراق عدة أميال في غلافنا الجوي قبل أن يتفاعلوا مع الذرة ، فإن غلافنا الجوي سميك بما يكفي بحيث يتم امتصاص معظم أشعة جاما قبل أن تصل إلى الأرض. ومع ذلك ، يفتقر رواد الفضاء في الفضاء إلى الحماية منهم ، ويقتصرون على مقدار الوقت الذي يمكن أن يقضونه "خارج" مركبة فضائية أو محطة فضائية. في حين أن الجرعات العالية جدًا من أشعة جاما يمكن أن تكون قاتلة ، فإن النتيجة الأكثر احتمالًا للتعرض المتكرر لها جرعات أشعة جاما فوق المتوسط ​​(مثل تلك التي يعاني منها رواد الفضاء ، على سبيل المثال) هي خطر متزايد من سرطان. وهذا شيء يدرسه خبراء علوم الحياة في وكالات الفضاء العالمية عن كثب.
• الأشعة السينية: الأشعة السينية ، مثل أشعة جاما ، هي شكل من أشكال الموجات الكهرومغناطيسية (الضوء). وعادة ما يتم تقسيمها إلى فئتين: الأشعة السينية الناعمة (ذات الأطوال الموجية الأطول) والأشعة السينية الصلبة (ذات الأطوال الموجية الأقصر). كلما كان الطول الموجي أقصر (أي أصعب الأشعة السينية) أكثر خطورة. هذا هو السبب في استخدام الأشعة السينية ذات الطاقة المنخفضة في التصوير الطبي. عادةً ما تؤين الأشعة السينية الذرات الأصغر ، في حين أن الذرات الأكبر يمكنها امتصاص الإشعاع نظرًا لوجود فجوات أكبر في طاقات التأين. هذا هو السبب في أن آلات الأشعة السينية ستصور أشياء مثل العظام بشكل جيد للغاية (تتكون من عناصر أثقل) بينما هم تصوير فقير للأنسجة الرخوة (عناصر أخف). تشير التقديرات إلى أن أجهزة الأشعة السينية ، وغيرها من الأجهزة المشتقة ، تمثل بين 35-50٪ للإشعاع المؤين الذي يعاني منه الناس في الولايات المتحدة.
• جسيمات ألفا: يتكون جسيم ألفا (المعين بالحرف اليوناني α) من بروتونين ونيوترونين ؛ بالضبط نفس تكوين نواة الهيليوم. بالتركيز على عملية تحلل ألفا التي تنشئها ، إليك ما يحدث: جسيم ألفا يتم إخراجها من النواة الأم بسرعة عالية جدًا (وبالتالي طاقة عالية) ، وعادةً ما تتجاوز 5٪ من سرعة الضوء. بعض جسيمات ألفا تأتي إلى الأرض في شكل أشعة كونية وقد يحقق سرعات تزيد عن 10٪ من سرعة الضوء. بشكل عام ، مع ذلك ، تتفاعل جسيمات ألفا على مسافات قصيرة جدًا ، لذا هنا على الأرض ، لا يشكل إشعاع جسيم ألفا تهديدًا مباشرًا للحياة. يمتصه الغلاف الجوي الخارجي ببساطة. ومع ذلك ، فإنه يكون خطر على رواد الفضاء.
• جزيئات بيتا: نتيجة تحلل بيتا ، جزيئات بيتا (عادة ما يتم وصفها بالحرف اليوناني Β) هي إلكترونات نشطة تفلت عندما يتحلل النيوترون إلى بروتون وإلكترون ومضادالنيوترينو. هذه الإلكترونات أكثر نشاطًا من جسيمات ألفا ولكنها أقل من أشعة جاما عالية الطاقة. عادة ، لا تشكل جزيئات بيتا مصدر قلق لصحة الإنسان لأنها محمية بسهولة. يمكن لجزيئات بيتا التي تم إنشاؤها صناعيًا (كما هو الحال في المسرعات) أن تخترق الجلد بسهولة أكبر لأن لديها طاقة أعلى بشكل ملحوظ. تستخدم بعض الأماكن هذه الحزم الجزيئية لعلاج أنواع مختلفة من السرطان بسبب قدرتها على استهداف مناطق محددة للغاية. ومع ذلك ، يجب أن يكون الورم بالقرب من السطح حتى لا يتلف كميات كبيرة من الأنسجة المتخلفة.
• إشعاع النيوترون: يتم إنشاء النيوترونات عالية الطاقة أثناء عمليات الاندماج النووي أو الانشطار النووي. يمكن بعد ذلك امتصاصها بواسطة نواة ذرية ، مما يتسبب في دخول الذرة في حالة من الإثارة ويمكن أن تنبعث منها أشعة غاما. ستثير هذه الفوتونات بعد ذلك الذرات المحيطة بها ، مما يخلق تفاعل سلسلة ، مما يؤدي إلى المنطقة لتصبح مشعة. هذه هي إحدى الطرق الرئيسية لإصابة البشر أثناء العمل حول المفاعلات النووية بدون معدات واقية مناسبة.

في حين أن الإشعاع المؤين (أعلاه) يحصل على جميع الصحف حول كونه ضارًا بالبشر ، يمكن أن يكون للإشعاع غير المؤين أيضًا تأثيرات بيولوجية كبيرة. على سبيل المثال ، يمكن أن يسبب الإشعاع غير المؤين أشياء مثل حروق الشمس. ومع ذلك ، هذا ما نستخدمه لطهي الطعام في أفران الميكروويف. يمكن أن يأتي الإشعاع غير المؤين أيضًا على شكل إشعاع حراري ، والذي يمكن أن يسخن المواد (وبالتالي الذرات) إلى درجات حرارة عالية بما يكفي للتسبب في التأين. ومع ذلك ، تعتبر هذه العملية مختلفة عن عمليات التأين الحركية أو الفوتونية.

• موجات الراديو: الموجات الراديوية هي أطول شكل موجي للإشعاع الكهرومغناطيسي (الضوء). تمتد من 1 مليمتر إلى 100 كيلومتر. ومع ذلك ، يتداخل هذا النطاق مع نطاق الموجات الدقيقة (انظر أدناه). تنتج موجات الراديو بشكل طبيعي عن طريق المجرات النشطة (خاصة من المنطقة المحيطة بهم الثقوب السوداء الهائلة), النجوم النابضة و في بقايا السوبرنوفا. ولكن يتم إنشاؤها أيضًا بشكل مصطنع لأغراض البث الإذاعي والتلفزيوني.
• ميكروويف: تُعرف الموجات الدقيقة بأنها أطوال موجية للضوء بين 1 مليمتر و 1 م (1000 مليمتر) ، وتعتبر في بعض الأحيان مجموعة فرعية من الموجات الراديوية. في الواقع ، علم الفلك الراديوي هو عمومًا دراسة نطاق الموجات الدقيقة ، حيث يصعب جدًا الكشف عن إشعاع الطول الموجي الأطول لأنه يتطلب أجهزة كشف ذات حجم كبير ؛ ومن هنا فقط عدد قليل من الأقران يتجاوز طول الموجة 1 متر. على الرغم من كونها غير مؤينة ، إلا أن الموجات الدقيقة يمكن أن تكون خطرة على الإنسان حيث يمكنها نقل كمية كبيرة من الطاقة الحرارية إلى عنصر بسبب تفاعلاته مع الماء وبخار الماء. (وهذا أيضًا هو سبب وضع مراصد الميكروويف عادةً في أماكن عالية وجافة على الأرض ، لتقليل مقدار التداخل الذي يمكن أن يسببه بخار الماء في غلافنا الجوي للتجربة.
• الأشعة تحت الحمراء: الأشعة تحت الحمراء هي نطاق الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يشغل أطوال موجية بين 0.74 ميكرومتر حتى 300 ميكرومتر. (يوجد مليون ميكرومتر في المتر الواحد.) الأشعة تحت الحمراء قريبة جدًا من الضوء البصري ، وبالتالي يتم استخدام تقنيات مشابهة جدًا لدراسته. ومع ذلك ، هناك بعض الصعوبات للتغلب عليها ؛ أي أن الأشعة تحت الحمراء يتم إنتاجها بواسطة أجسام مماثلة لـ "درجة حرارة الغرفة". نظرًا لأن الإلكترونيات المستخدمة لتشغيل التلسكوبات بالأشعة تحت الحمراء والتحكم فيها ستعمل عند درجات الحرارة هذه ، فإن الأدوات نفسها ستطلق ضوء الأشعة تحت الحمراء ، مما يتداخل مع الحصول على البيانات. لذلك يتم تبريد الأدوات باستخدام الهيليوم السائل ، وذلك لتقليل فوتونات الأشعة تحت الحمراء الدخيلة من دخول الكاشف. معظم ما الشمس التي تنبعث والتي تصل إلى سطح الأرض هي في الواقع ضوء الأشعة تحت الحمراء ، مع عدم وجود إشعاع مرئي خلفه (والأشعة فوق البنفسجية الثلث البعيد).

• الضوء المرئي (البصري): مدى أطوال موجات الضوء المرئي 380 نانومتر (نانومتر) و 740 نانومتر. هذا هو الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يمكننا اكتشافه بأعيننا ، جميع الأشكال الأخرى غير مرئية لنا بدون مساعدات إلكترونية. الضوء المرئي هو في الواقع جزء صغير جدًا من الطيف الكهرومغناطيسي ، ولهذا السبب من المهم دراسة جميع الأطوال الموجية الأخرى في علم الفلك للحصول على صورة كاملة عن كون وفهم الآليات الفيزيائية التي تحكم الأجسام السماوية.
• إشعاع الجسم الأسود: الجسم الأسود هو الجسم الذي ينبعث منه الإشعاع الكهرومغناطيسي عند تسخينه ، ويكون ذروة الطول الموجي للضوء الناتج متناسبًا مع درجة الحرارة (وهذا ما يعرف بقانون فيينا). لا يوجد شيء مثل الجسم الأسود المثالي ، ولكن العديد من الأشياء مثل الشمس والأرض والملفات الموجودة على موقدك الكهربائي هي تقريبًا جيدًا.
• الإشعاع الحراري: عندما تتحرك الجسيمات داخل مادة ما بسبب درجة حرارتها ، يمكن وصف الطاقة الحركية الناتجة بأنها الطاقة الحرارية الإجمالية للنظام. في حالة جسم أسود (انظر أعلاه) ، يمكن إطلاق الطاقة الحرارية من النظام في شكل إشعاع كهرومغناطيسي.

الإشعاع ، كما نرى ، هو أحد الجوانب الأساسية للكون. بدونها ، لن يكون لدينا ضوء أو حرارة أو طاقة أو حياة.

حررت بواسطة كارولين كولينز بيترسن.