Radiação no espaço dá pistas sobre o universo

Uma amostra de telescópios (operando em fevereiro de 2013) em comprimentos de onda em todo o espectro eletromagnético. Vários desses observatórios observam mais de uma banda do espectro EM. NASA

A astronomia é o estudo de objetos no universo que irradiam (ou refletem) energia de todo o espectro eletromagnético. Os astrônomos estudam a radiação de todos os objetos do universo. Vamos dar uma olhada em profundidade nas formas de radiação lá fora.

Obra de um planeta orbitando um pulsar. Os pulsares são estrelas de nêutrons que giram muito rapidamente, são os núcleos mortos de estrelas massivas e giram em seus eixos, muitas vezes, centenas de vezes a cada segundo. Eles irradiam ondas de rádio e em luz óptica. Mark Garlick/Biblioteca de fotos científicas (Getty Images)

Importância para a Astronomia

Para entender completamente o universo, os cientistas devem olhar para ele em todo o espectro eletromagnético. Isso inclui as partículas de alta energia, como os raios cósmicos. Alguns objetos e processos são, na verdade, completamente invisíveis em certos comprimentos de onda (até mesmo ópticos), e é por isso que os astrônomos os observam em muitos comprimentos de onda. Algo invisível em um comprimento de onda ou frequência pode ser muito brilhante em outro, e isso diz aos cientistas algo muito importante sobre isso.

Tipos de Radiação

A radiação descreve partículas elementares, núcleos e ondas eletromagnéticas à medida que se propagam pelo espaço. Os cientistas normalmente fazem referência à radiação de duas maneiras: ionizante e não ionizante.

Radiação ionizante

A ionização é o processo pelo qual os elétrons são removidos de um átomo. Isso acontece o tempo todo na natureza, e apenas exige que o átomo colida com um fóton ou uma partícula com energia suficiente para excitar a(s) eleição(s). Quando isso acontece, o átomo não pode mais manter sua ligação com a partícula.

Certas formas de radiação carregam energia suficiente para ionizar vários átomos ou moléculas. Eles podem causar danos significativos a entidades biológicas, causando câncer ou outros problemas de saúde significativos. A extensão do dano de radiação é uma questão de quanta radiação foi absorvida pelo organismo.

O espectro eletromagnético é mostrado em função da frequência/comprimento de onda e temperatura. Observatório de Raios-X Chandra

O limite mínimo energia necessária para que a radiação seja considerada ionizante é de cerca de 10 elétron-volts (10 eV). Existem várias formas de radiação que existem naturalmente acima desse limite:

• Raios gama : Raios gama (geralmente designados pela letra grega γ) são uma forma de radiação eletromagnética. Eles representam as formas de energia mais altas da luz em o universo . Os raios gama ocorrem a partir de uma variedade de processos, que vão desde a atividade dentro de reatores nucleares até explosões estelares chamadas supernovas e eventos altamente energéticos conhecidos como rajadas de raios gama. Como os raios gama são radiação eletromagnética, eles não interagem prontamente com os átomos, a menos que ocorra uma colisão frontal. Neste caso, o raio gama irá 'decair' em um par elétron-pósitron. No entanto, se um raio gama for absorvido por uma entidade biológica (por exemplo, uma pessoa), danos significativos podem ser causados, pois é necessária uma quantidade considerável de energia para interromper essa radiação. Nesse sentido, os raios gama são talvez a forma mais perigosa de radiação para os seres humanos. Felizmente, embora possam penetrar vários quilômetros em nossa atmosfera antes de interagir com um átomo, nossa atmosfera é espessa o suficiente para que a maioria dos raios gama seja absorvida antes de atingir o solo. No entanto, os astronautas no espaço não têm proteção contra eles e estão limitados à quantidade de tempo que podem passar 'fora' de uma espaçonave ou estação espacial. Embora doses muito altas de radiação gama possam ser fatais, o resultado mais provável de exposições repetidas a doses acima da média de raios gama (como as experimentadas por astronautas, por exemplo) é um risco aumentado de câncer. Isso é algo que os especialistas em ciências da vida das agências espaciais do mundo estudam de perto.
raios X: os raios X são, como os raios gama, uma forma de ondas eletromagnéticas (luz). Eles geralmente são divididos em duas classes: raios X suaves (aqueles com comprimentos de onda mais longos) e raios X duros (aqueles com comprimentos de onda mais curtos). Quanto menor o comprimento de onda (ou seja, o mais difícil o raio-x) mais perigoso é. É por isso que os raios X de baixa energia são usados ​​em imagens médicas. Os raios X normalmente ionizam átomos menores, enquanto átomos maiores podem absorver a radiação, pois possuem lacunas maiores em suas energias de ionização. É por isso que as máquinas de raio-x vão conseguir imagens muito bem de coisas como ossos (eles são compostos de elementos mais pesados), enquanto são pobres em imagens de tecidos moles (elementos mais leves). Estima-se que as máquinas de raios X e outros dispositivos derivados sejam responsáveis ​​por entre 35-50% da radiação ionizante experimentada por pessoas nos Estados Unidos. Partículas Alfa: Uma partícula alfa (designada pela letra grega α) consiste em dois prótons e dois nêutrons; exatamente a mesma composição de um núcleo de hélio. Concentrando-se no processo de decaimento alfa que os cria, eis o que acontece: a partícula alfa é ejetada do núcleo pai com velocidade muito alta (portanto, alta energia), geralmente superior a 5% da velocidade da luz . Algumas partículas alfa chegam à Terra na forma de raios cósmicos e pode atingir velocidades superiores a 10% da velocidade da luz. Geralmente, no entanto, as partículas alfa interagem em distâncias muito curtas, então aqui na Terra, a radiação de partículas alfa não é uma ameaça direta à vida. É simplesmente absorvido pela nossa atmosfera exterior. no entanto é um perigo para os astronautas. Partículas Beta: O resultado do decaimento beta, as partículas beta (geralmente descritas pela letra grega Β) são elétrons energéticos que escapam quando um nêutron decai em um próton, elétron e anti- neutrino . Esses elétrons são mais energéticos do que as partículas alfa, mas menos do que os raios gama de alta energia. Normalmente, as partículas beta não são uma preocupação para a saúde humana, pois são facilmente blindadas. Partículas beta criadas artificialmente (como em aceleradores) podem penetrar na pele mais facilmente, pois têm energia consideravelmente maior. Alguns lugares usam esses feixes de partículas para tratar vários tipos de câncer devido à sua capacidade de atingir regiões muito específicas. No entanto, o tumor precisa estar próximo à superfície para não danificar quantidades significativas de tecido intercalado.
• Radiação de nêutrons : Nêutrons de energia muito alta são criados durante processos de fusão nuclear ou fissão nuclear. Eles podem então ser absorvidos por um núcleo atômico, fazendo com que o átomo entre em um estado excitado e possa emitir raios gama. Esses fótons excitarão os átomos ao seu redor, criando uma reação em cadeia, levando a área a se tornar radioativa. Essa é uma das principais maneiras pelas quais os humanos são feridos enquanto trabalham em torno de reatores nucleares sem equipamentos de proteção adequados.

Radiação não ionizante

Enquanto a radiação ionizante (acima) recebe toda a imprensa sobre ser prejudicial aos seres humanos, a radiação não ionizante também pode ter efeitos biológicos significativos. Por exemplo, a radiação não ionizante pode causar queimaduras solares. No entanto, é o que usamos para cozinhar alimentos em fornos de microondas. A radiação não ionizante também pode vir na forma de radiação térmica, que pode aquecer o material (e, portanto, os átomos) a temperaturas altas o suficiente para causar ionização. No entanto, este processo é considerado diferente dos processos cinéticos ou de ionização de fótons.

O Karl Jansky Very Large Array de radiotelescópios está localizado perto de Socorro, Novo México. Essa matriz se concentra nas emissões de rádio de uma variedade de objetos e processos no céu. NRAO/AUI

• Ondas de rádio : As ondas de rádio são a forma de comprimento de onda mais longo da radiação eletromagnética (luz). Eles abrangem de 1 milímetro a 100 quilômetros. Este intervalo, no entanto, se sobrepõe à banda de micro-ondas (veja abaixo). As ondas de rádio são produzidas naturalmente porgaláxias ativas(especificamente da área em torno de sua buracos negros supermassivos ), pulsares e em restos de supernova . Mas eles também são criados artificialmente para fins de transmissão de rádio e televisão.
• Microondas : Definidas como comprimentos de onda de luz entre 1 milímetro e 1 metro (1.000 milímetros), as micro-ondas às vezes são consideradas um subconjunto das ondas de rádio. Na verdade, a radioastronomia é geralmente o estudo da banda de micro-ondas, pois a radiação de comprimento de onda mais longo é muito difícil de detectar, pois exigiria detectores de tamanho imenso; portanto, apenas alguns pares além do comprimento de onda de 1 metro. Embora não ionizantes, as micro-ondas ainda podem ser perigosas para os seres humanos, pois podem transmitir uma grande quantidade de energia térmica a um item devido às suas interações com a água e o vapor de água. (É também por isso que os observatórios de micro-ondas são normalmente colocados em lugares altos e secos da Terra, para diminuir a quantidade de interferência que o vapor de água em nossa atmosfera pode causar ao experimento.
• Radiação infra-vermelha : A radiação infravermelha é a faixa de radiação eletromagnética que ocupa comprimentos de onda entre 0,74 micrômetros até 300 micrômetros. (Há 1 milhão de micrômetros em um metro.) A radiação infravermelha está muito próxima da luz óptica e, portanto, técnicas muito semelhantes são usadas para estudá-la. No entanto, existem algumas dificuldades a serem superadas; ou seja, a luz infravermelha é produzida por objetos comparáveis ​​à 'temperatura ambiente'. Como a eletrônica usada para alimentar e controlar os telescópios infravermelhos funcionará em tais temperaturas, os próprios instrumentos emitirão luz infravermelha, interferindo na aquisição de dados. Portanto, os instrumentos são resfriados usando hélio líquido, de modo a diminuir a entrada de fótons infravermelhos estranhos no detector. A maioria do que o sol que atinge a superfície da Terra é, na verdade, luz infravermelha, com a radiação visível não muito atrás (e a ultravioleta um terço distante).

Uma visão infravermelha de uma nuvem de gás e poeira feita pelo Telescópio Espacial Spitzer. A Nebulosa 'Aranha e Voa' é uma região de formação de estrelas e a visão infravermelha do Spitzer mostra estruturas na nuvem afetadas por um aglomerado de estrelas recém-nascidas. Telescópio Espacial Spitzer/NASA

• Luz visível (óptica) : A faixa de comprimentos de onda da luz visível é de 380 nanômetros (nm) e 740 nm. Esta é a radiação eletromagnética que podemos detectar com nossos próprios olhos, todas as outras formas são invisíveis para nós sem auxílios eletrônicos. A luz visível é, na verdade, apenas uma parte muito pequena do espectro eletromagnético, e é por isso que é importante estudar todos os outros comprimentos de onda em astronomia para obter uma imagem completa do espectro eletromagnético. universo e compreender os mecanismos físicos que governam os corpos celestes.
• Radiação de corpo negro : Um corpo negro é um objeto que emite radiação eletromagnética quando aquecido, o pico de comprimento de onda da luz produzida será proporcional à temperatura (isso é conhecido como Lei de Wien). Não existe um corpo negro perfeito, mas muitos objetos como o nosso Sol, a Terra e as bobinas do seu fogão elétrico são boas aproximações.
• Radiação térmica : À medida que as partículas dentro de um material se movem devido à sua temperatura, a energia cinética resultante pode ser descrita como a energia térmica total do sistema. No caso de um corpo negro (veja acima), a energia térmica pode ser liberada do sistema na forma de radiação eletromagnética.

A radiação, como podemos ver, é um dos aspectos fundamentais do universo. Sem ela, não teríamos luz, calor, energia ou vida.

Editado porCarolyn Collins Petersen.