تابش در فضا: کلیدهای کشف اسرار کیهان

اخترشناسی، دانش مطالعه اجرام آسمانی و پدیده‌های کیهانی است که انرژی را به شکل‌های مختلف، از جمله تابش الکترومغناطیسی، منتشر یا بازتاب می‌کنند. اخترشناسان با بررسی این تابش‌ها، اطلاعات ارزشمندی درباره ماهیت، ساختار، و تحولات کیهان به دست می‌آورند.

هر جرم در عالم، از سیارات و ستاره‌ها گرفته تا سیاه‌چاله‌ها و سحابی‌ها، نوعی تابش از خود ساطع می‌کند. بررسی این تابش‌ها به ما امکان می‌دهد تا به اعماق فضا سفر کنیم و رازهای پنهان کیهان را کشف کنیم. در ادامه، به بررسی دقیق‌تر انواع تابش‌ها در کیهان می‌پردازیم.

اهمیت بررسی طیف الکترومغناطیسی در اخترشناسی

برای درک کامل کیهان، دانشمندان نیاز دارند تا آن را در تمام طیف الکترومغناطیسی بررسی کنند. این طیف، شامل ذرات پرانرژی مانند پرتوهای کیهانی نیز می‌شود. برخی از اجرام و فرآیندهای کیهانی در طول موج‌های خاص (حتی نور مرئی) کاملاً نامرئی هستند؛ به همین دلیل است که اخترشناسان آن‌ها را در طول موج‌های مختلف بررسی می‌کنند.

جسمی که در یک طول موج یا فرکانس نامرئی است، ممکن است در طول موج یا فرکانس دیگری بسیار درخشان باشد و این موضوع اطلاعات بسیار مهمی را در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد. به عنوان مثال، بررسی تابش رادیویی ساطع شده از یک سیاهچاله می‌تواند اطلاعاتی درباره جرم و سرعت چرخش آن به ما بدهد. بنابراین، مشاهده کیهان در طیف گسترده‌ای از طول موج‌ها برای درک کامل پدیده‌های کیهانی ضروری است.

انواع تابش

تابش در فضا، به ذرات بنیادی، هسته‌ها و امواج الکترومغناطیسی اطلاق می‌شود که در پهنه کیهان منتشر می‌شوند. دانشمندان معمولاً تابش را به دو دسته اصلی تقسیم می‌کنند: تابش یونیزان و تابش غیریونیزان. در ادامه به بررسی این دو نوع تابش و ویژگی‌های آن‌ها می‌پردازیم.

تابش یونیزان: خطری پنهان در کیهان

یونیزاسیون فرآیندی است که در آن الکترون‌ها از اتم جدا می‌شوند. این پدیده به طور مداوم در طبیعت رخ می‌دهد و تنها نیازمند برخورد یک اتم با یک فوتون یا ذره‌ای با انرژی کافی برای تحریک الکترون (ها) است. در این حالت، اتم دیگر نمی‌تواند پیوند خود را با ذره حفظ کند.

برخی از اشکال تابش انرژی کافی برای یونیزه کردن اتم‌ها یا مولکول‌های مختلف را دارند. این تابش‌ها می‌توانند با ایجاد سرطان یا سایر مشکلات جدی سلامتی، آسیب قابل توجهی به موجودات زنده وارد کنند. میزان آسیب ناشی از تابش به مقدار تابشی که توسط ارگانیسم جذب شده است بستگی دارد.

حداقل انرژی آستانه مورد نیاز برای اینکه تابش به عنوان یونیزان در نظر گرفته شود، حدود 10 الکترون ولت (10 eV) است. چندین شکل از تابش وجود دارد که به طور طبیعی بالاتر از این آستانه وجود دارند:

• پرتوهای گاما: پرتوهای گاما (که معمولاً با حرف یونانی γ نشان داده می‌شوند) نوعی تابش الکترومغناطیسی هستند. آنها بالاترین شکل انرژی نور در جهان را نشان می‌دهند. پرتوهای گاما ناشی از فرآیندهای مختلفی هستند، از جمله فعالیت داخل رآکتورهای هسته‌ای تا انفجارهای ستاره‌ای به نام ابرنواخترها و رویدادهای بسیار پرانرژی معروف به فوران‌های پرتو گاما. از آنجایی که پرتوهای گاما تابش الکترومغناطیسی هستند، به راحتی با اتم‌ها برهمکنش نمی‌کنند، مگر اینکه یک برخورد رودررو رخ دهد. در این حالت، پرتو گاما به یک جفت الکترون-پوزیترون "تجزیه" می‌شود. با این حال، اگر یک پرتو گاما توسط یک موجود زنده (به عنوان مثال، یک فرد) جذب شود، می‌تواند آسیب قابل توجهی وارد کند، زیرا برای متوقف کردن چنین تابشی به مقدار قابل توجهی انرژی نیاز است. به این معنا، پرتوهای گاما شاید خطرناک‌ترین شکل تابش برای انسان باشند. خوشبختانه، در حالی که آنها می‌توانند چندین مایل در جو ما نفوذ کنند قبل از اینکه با یک اتم برهمکنش کنند، جو ما به اندازه کافی ضخیم است که بیشتر پرتوهای گاما قبل از رسیدن به زمین جذب می‌شوند. با این حال، فضانوردان در فضا از آنها محافظت نمی‌شوند و به میزان زمانی که می‌توانند "خارج" از فضاپیما یا ایستگاه فضایی بگذرانند، محدود هستند. در حالی که دوزهای بسیار بالای تابش گاما می‌تواند کشنده باشد، محتمل‌ترین نتیجه قرار گرفتن مکرر در معرض دوزهای بالاتر از حد متوسط ​​پرتوهای گاما (مانند آنچه که فضانوردان تجربه می‌کنند) افزایش خطر ابتلا به سرطان است. این چیزی است که متخصصان علوم زیستی در آژانس‌های فضایی جهان به دقت مطالعه می‌کنند.
• پرتوهای ایکس: پرتوهای ایکس نیز مانند پرتوهای گاما، نوعی امواج الکترومغناطیسی (نور) هستند. آنها معمولاً به دو دسته تقسیم می‌شوند: پرتوهای ایکس نرم (آنهایی که طول موج بلندتری دارند) و پرتوهای ایکس سخت (آنهایی که طول موج کوتاه‌تری دارند). هرچه طول موج کوتاه‌تر باشد (یعنی پرتو ایکس سخت‌تر)، خطرناک‌تر است. به همین دلیل است که پرتوهای ایکس با انرژی کمتر در تصویربرداری پزشکی استفاده می‌شوند. پرتوهای ایکس به طور معمول اتم‌های کوچک‌تر را یونیزه می‌کنند، در حالی که اتم‌های بزرگ‌تر می‌توانند تابش را جذب کنند زیرا شکاف‌های بزرگ‌تری در انرژی‌های یونیزاسیون خود دارند. به همین دلیل است که دستگاه‌های پرتو ایکس به خوبی از استخوان‌ها تصویربرداری می‌کنند (آنها از عناصر سنگین‌تری تشکیل شده‌اند) در حالی که تصویرگران ضعیفی از بافت نرم هستند (عناصر سبک‌تر). تخمین زده می‌شود که دستگاه‌های پرتو ایکس و سایر دستگاه‌های مشتق شده، بین 35 تا 50 درصد از تابش یونیزان را تشکیل می‌دهند که مردم در ایالات متحده تجربه می‌کنند.
• ذرات آلفا: یک ذره آلفا (که با حرف یونانی α نشان داده می‌شود) از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. دقیقاً همان ترکیب هسته هلیوم. با تمرکز بر فرآیند واپاشی آلفا که آنها را ایجاد می‌کند، این اتفاق می‌افتد: ذره آلفا با سرعت بسیار بالا (بنابراین انرژی بالا) از هسته مادر خارج می‌شود، معمولاً بیش از 5٪ از سرعت نور. برخی از ذرات آلفا به شکل پرتوهای کیهانی به زمین می‌رسند و ممکن است به سرعت‌هایی بیش از 10٪ سرعت نور برسند. به طور کلی، با این حال، ذرات آلفا در فواصل بسیار کوتاهی برهمکنش می‌کنند، بنابراین در اینجا روی زمین، تابش ذرات آلفا تهدید مستقیمی برای زندگی نیست. به سادگی توسط جو بیرونی ما جذب می‌شود. با این حال، برای فضانوردان خطرناک است.
• ذرات بتا: نتیجه واپاشی بتا، ذرات بتا (که معمولاً با حرف یونانی Β توصیف می‌شوند) الکترون‌های پرانرژی هستند که هنگام واپاشی یک نوترون به یک پروتون، الکترون و ضد نوترینو فرار می‌کنند. این الکترون‌ها پرانرژی‌تر از ذرات آلفا هستند اما کمتر از پرتوهای گاما با انرژی بالا. به طور معمول، ذرات بتا نگران کننده برای سلامت انسان نیستند زیرا به راحتی محافظت می‌شوند. ذرات بتای ساخته شده مصنوعی (مانند شتاب دهنده‌ها) می‌توانند راحت‌تر در پوست نفوذ کنند زیرا انرژی بسیار بالاتری دارند. برخی از مکان‌ها از این پرتوهای ذره برای درمان انواع مختلف سرطان به دلیل توانایی آنها در هدف قرار دادن مناطق بسیار خاص استفاده می‌کنند. با این حال، تومور باید نزدیک سطح باشد تا به مقدار قابل توجهی از بافت‌های پراکنده آسیب نرساند.
• تابش نوترونی: نوترون‌های بسیار پرانرژی در طی فرآیندهای همجوشی هسته‌ای یا شکافت هسته‌ای ایجاد می‌شوند. آنها سپس می‌توانند توسط یک هسته اتمی جذب شوند و باعث شوند اتم به حالت برانگیخته درآید و بتواند پرتوهای گاما ساطع کند. این فوتون‌ها سپس اتم‌های اطراف خود را تحریک می‌کنند و یک واکنش زنجیره‌ای ایجاد می‌کنند و باعث می‌شوند ناحیه رادیواکتیو شود. این یکی از راه‌های اصلی آسیب دیدگی انسان در حین کار در اطراف رآکتورهای هسته‌ای بدون وسایل محافظتی مناسب است.

تابش غیریونیزان: انرژی‌ای که در اطراف ماست

در حالی که تابش یونیزان به دلیل اثرات مضر بر سلامتی انسان بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد، تابش غیریونیزان نیز می‌تواند اثرات بیولوژیکی قابل توجهی داشته باشد. به عنوان مثال، تابش غیریونیزان می‌تواند باعث آفتاب سوختگی شود. با این حال، همین تابش است که برای پختن غذا در اجاق‌های مایکروویو از آن استفاده می‌کنیم. تابش غیریونیزان همچنین می‌تواند به شکل تابش حرارتی باشد که می‌تواند مواد (و در نتیجه اتم‌ها) را تا دمای به اندازه‌ای بالا گرم کند که باعث یونیزاسیون شود. با این حال، این فرآیند متفاوت از فرآیندهای یونیزاسیون جنبشی یا فوتونی در نظر گرفته می‌شود.

• امواج رادیویی: امواج رادیویی طولانی‌ترین شکل طول موج تابش الکترومغناطیسی (نور) هستند. آنها از 1 میلی‌متر تا 100 کیلومتر را در بر می‌گیرند. با این حال، این محدوده با باند مایکروویو (در زیر ببینید) همپوشانی دارد. امواج رادیویی به طور طبیعی توسط کهکشان‌های فعال (به طور خاص از ناحیه اطراف سیاه‌چاله‌های کلان جرم آنها)، تپ‌اخترها و بقایای ابرنواختر تولید می‌شوند. اما به طور مصنوعی نیز برای اهداف انتقال رادیو و تلویزیون ایجاد می‌شوند.
• مایکروویوها: مایکروویوها که به عنوان طول موج‌های نور بین 1 میلی‌متر و 1 متر (1000 میلی‌متر) تعریف می‌شوند، گاهی اوقات زیرمجموعه‌ای از امواج رادیویی در نظر گرفته می‌شوند. در واقع، اخترشناسی رادیویی به طور کلی مطالعه باند مایکروویو است، زیرا تشخیص تابش با طول موج بلندتر بسیار دشوار است، زیرا به آشکارسازهای بسیار بزرگی نیاز دارد. از این رو، فقط تعداد کمی از آنها فراتر از طول موج 1 متری هستند. مایکروویوها در حالی که غیریونیزان هستند، همچنان می‌توانند برای انسان خطرناک باشند زیرا می‌توانند به دلیل تعامل با آب و بخار آب، مقدار زیادی انرژی حرارتی به یک ماده منتقل کنند. (به همین دلیل است که رصدخانه‌های مایکروویو معمولاً در مکان‌های مرتفع و خشک روی زمین قرار می‌گیرند، تا میزان تداخلی که بخار آب موجود در جو ما می‌تواند در آزمایش ایجاد کند، کاهش یابد.)
• تابش فروسرخ: تابش فروسرخ باندی از تابش الکترومغناطیسی است که طول موج‌های بین 0.74 میکرومتر تا 300 میکرومتر را اشغال می‌کند. (یک میلیون میکرومتر در یک متر وجود دارد.) تابش فروسرخ بسیار نزدیک به نور مرئی است و بنابراین از تکنیک‌های بسیار مشابهی برای مطالعه آن استفاده می‌شود. با این حال، برخی از مشکلات برای غلبه وجود دارد. یعنی نور فروسرخ توسط اشیاء قابل مقایسه با "دمای اتاق" تولید می‌شود. از آنجایی که وسایل الکترونیکی مورد استفاده برای تامین انرژی و کنترل تلسکوپ‌های فروسرخ در چنین دماهایی کار می‌کنند، خود ابزارها نور فروسرخ را ساطع می‌کنند و در کسب داده‌ها اختلال ایجاد می‌کنند. بنابراین، ابزارها با استفاده از هلیوم مایع خنک می‌شوند تا از ورود فوتون‌های فروسرخ اضافی به آشکارساز جلوگیری شود. بیشتر آنچه که خورشید ساطع می‌کند و به سطح زمین می‌رسد در واقع نور فروسرخ است، با تابش مرئی نه چندان دور (و فرابنفش در رتبه سوم دور).

• نور مرئی (اپتیکی): محدوده طول موج‌های نور مرئی بین 380 نانومتر (nm) و 740 نانومتر است. این تابش الکترومغناطیسی است که ما می‌توانیم با چشمان خود تشخیص دهیم، تمام اشکال دیگر بدون کمک‌های الکترونیکی برای ما نامرئی هستند. نور مرئی در واقع تنها بخش بسیار کوچکی از طیف الکترومغناطیسی است، به همین دلیل مهم است که تمام طول موج‌های دیگر را در اخترشناسی مطالعه کنیم تا تصویری کامل از جهان به دست آوریم و مکانیسم‌های فیزیکی حاکم بر اجرام آسمانی را درک کنیم.
• تابش جسم سیاه: جسم سیاه جسمی است که هنگام گرم شدن تابش الکترومغناطیسی ساطع می‌کند، اوج طول موج نور تولید شده متناسب با دما خواهد بود (این به عنوان قانون وین شناخته می‌شود). چیزی به نام جسم سیاه کامل وجود ندارد، اما بسیاری از اجسام مانند خورشید ما، زمین و سیم پیچ‌های اجاق برقی شما تقریب‌های بسیار خوبی هستند.
• تابش حرارتی: با حرکت ذرات داخل یک ماده به دلیل دمای آنها، انرژی جنبشی حاصل می‌تواند به عنوان کل انرژی حرارتی سیستم توصیف شود. در مورد یک جسم سیاه (به بالا مراجعه کنید) انرژی حرارتی می‌تواند از سیستم به شکل تابش الکترومغناطیسی آزاد شود.

همانطور که می‌بینیم، تابش یکی از جنبه‌های اساسی جهان است. بدون آن، ما نور، گرما، انرژی یا زندگی نداشتیم.