Tähtitiede on universumin kohteiden tutkimista, jotka säteilevät (tai heijastavat) energiaa sähkömagneettisen spektrin yli. Astronomit tutkivat säteilyä universumin kaikista kohteista. Katsotaanpa perusteellisesti säteilyn muotoja. Jotta tiedemiehet ymmärtäisivät universumin täysin, heidän on tarkasteltava sitä koko sähkömagneettisella spektrillä. Tämä sisältää korkea-energiset hiukkaset, kuten kosmiset säteet.

Näyte teleskoopeista (jotka toimivat helmikuussa 2013) sähkömagneettisen spektrin aallonpituudella.
Useat näistä observatorioista tarkkailevat useamman kuin yhden EM-spektrin kaistaa. NASA

Tähtitiede on universumin kohteiden tutkimista, jotka säteilevät (tai heijastavat) energiaa sähkömagneettisen spektrin yli. Astronomit tutkivat säteilyä universumin kaikista kohteista. Katsotaanpa perusteellisesti säteilyn muotoja.

Merkitys tähtitieteelle

Jotta tiedemiehet ymmärtäisivät universumin täysin, heidän on tarkasteltava sitä koko sähkömagneettisella spektrillä. Tämä sisältää korkea-energiset hiukkaset, kuten kosmiset säteet. Jotkin kohteet ja prosessit ovat itse asiassa täysin näkymättömiä tietyillä aallonpituudella (jopa optisilla), minkä vuoksi astronomit tarkastelevat niitä monilla aallonpituudella. Jokin näkymätön yhdellä aallonpituudella tai taajuudella voi olla hyvin kirkas toisessa, ja se kertoo tutkijoille jotain hyvin tärkeää siitä.

Säteilyn tyypit

Säteily kuvaa alkeishiukkasia, ytimiä ja sähkömagneettisia aaltoja niiden levitessä avaruuden läpi. Tutkijat viittaavat säteilyyn tyypillisesti kahdella tavalla: ionisoivalla ja ionisoimattomalla tavalla.

Ionisoiva säteily

Ionisaatio on prosessi, jolla elektronit poistetaan atomista. Tätä tapahtuu koko ajan luonnossa, ja se vaatii vain atomia törmäämään fotoniin tai hiukkaseen, jolla on tarpeeksi energiaa kiihottaakseen vaaleja. Kun näin tapahtuu, atomi ei voi enää ylläpitää sidettä hiukkasiin. Advertisement

Tietyt säteilymuodot kuljettavat tarpeeksi energiaa eri atomien tai molekyylien ionisoimiseen. Ne voivat aiheuttaa merkittävää haittaa biologisille yksiköille aiheuttamalla syöpää tai muita merkittäviä terveysongelmia. Säteilyvaurion laajuudessa on kyse siitä, kuinka paljon organismi absorboi säteilyä.

Sähkömagneettinen spektri näkyy taajuuksien/aallonpituuksien ja lämpötilan funktiona. Chandran röntgenobservatorio

Ionisoivana pidettävän säteilyn vähimmäiskynnysenergia on noin 10 elektronivolttia (10 eV). On olemassa useita säteilymuotoja, jotka luonnollisesti ovat tämän kynnyksen yläpuolella:

• Gammasäteet: Gammasäteet (jotka yleensä osoitetaan kreikkalaisella kirjaimella γ) ovat sähkömagneettisen säteilyn muoto. Ne edustavat universumin korkeimpia valon energiamuotoja. Gammasäteitä esiintyy monista eri prosesseista, jotka vaihtelevat ydinreaktoreiden toiminnasta tähtiräjähdyksiin, joita kutsutaan supernovaksi, ja erittäin energisiin tapahtumiin, joita kutsutaan gammasäteilypurkauksiksi.
  
  Koska gammasäteet ovat sähkömagneettista säteilyä, ne eivät ole helposti vuorovaikutuksessa atomien kanssa, ellei yhteentörmäystä tapahdu. Tässä tapauksessa gammasäde ”hajoaa” elektroni-positron-pariksi. Jos biologinen yksikkö (esim. henkilö) kuitenkin absorboi gammasäteen, voidaan tehdä merkittävää haittaa, koska tällaisen säteilyn pysäyttämiseen tarvitaan huomattava määrä energiaa.
  
  Tässä mielessä gammasäteet ovat ehkä vaarallisin säteilymuoto ihmisille. Onneksi, vaikka ne voivat tunkeutua useita kilometrejä ilmakehäämme ennen kuin ne ovat vuorovaikutuksessa atomin kanssa, ilmakehämme on tarpeeksi paksu, että useimmat gammasäteet imeytyvät ennen kuin ne pääsevät maahan. Avaruuden astronautit eivät kuitenkaan ole suojassa heiltä, ja ne rajoittuvat siihen, kuinka paljon aikaa he voivat viettää ”ulkona” avaruusaluksessa tai avaruusasemassa.
  
  Vaikka hyvin suuret gammasäteilyannokset voivat olla kohtalokkaita, todennäköisin tulos toistuvista altistuksista keskimääräistä korkeammille gammasäteilyannoksille (kuten esimerkiksi astronauttien kokemat) on lisääntynyt syöpäriski. Tätä biotieteiden asiantuntijat maailman avaruusjärjestöissä tutkivat tarkasti.

• Röntgensäteet: Röntgensäteet ovat gammasäteiden kuten gammasäteidenkin muodossa sähkömagneettisia aaltoja (valoa). Ne on yleensä jaettu kahteen luokkaan: pehmeät röntgensäteet (ne, joilla on pidemmät aallonpituustasot) ja kovat röntgensäteet (ne, joilla on lyhyemmät aallonpituustasot). Mitä lyhyempi aallonpituus (eli mitä vaikeampi röntgenkuva on), sitä vaarallisempi se on. Siksi lääketieteellisessä kuvantamisessa käytetään pienempiä energiaröntgenkuvia.
  
  Röntgensäteet tyypillisesti ionisoivat pienempiä atomeja, kun taas suuremmat atomit voivat absorboida säteilyä, koska niiden ionisaatio energioissa on suurempia aukkoja. Siksi röntgenlaitteet kuvaavat luiden kaltaiset asiat erittäin hyvin (ne koostuvat raskaammista elementeistä), kun taas ne ovat huonoja pehmytkudoksen (kevyempien elementtien) kuvia. On arvioitu, että röntgenlaitteiden ja muiden johdannaislaitteiden osuus on 35–50 prosenttia Yhdysvalloissa kokemista ionisoivasta säteilystä.

• Alfahiukkaset: Alfahiukkanen (joka on merkitty kreikkalaisella kirjaimella α) koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista; täsmälleen sama koostumus kuin helium-ytimiä. Keskittyen alfan hajoamisprosessiin, joka luo ne, näin tapahtuu: alfahiukkanen poistetaan vanhempien ytimestä erittäin suurella nopeudella (siksi suuri energia), yleensä yli 5% valon nopeudesta.
  
  Jotkut alfahiukkaset tulevat Maahan kosmisten säteiden muodossa ja saattavat saavuttaa yli 10% valon nopeudesta. Yleensä alfahiukkaset ovat kuitenkin vuorovaikutuksessa hyvin lyhyillä etäisyyksillä, joten täällä Maassa alfahiukkassäteily ei ole suora uhka elämälle. Se imeytyy ulkoilmapiiriimme. Se on kuitenkin vaaraksi astronauteille.

• Beetahiukkaset: Beetahiukkaset, beetahiukkaset (joita yleensä kuvataan kreikkalaisella kirjaimella Β) ovat energisiä elektroneja, jotka karkaavat, kun neutroni hajoaa protoniksi, elektroniksi ja anti-neutriinoksi. Nämä elektronit ovat energisempiä kuin alfahiukkaset, mutta vähemmän kuin korkeaenerginen gammasäteet. Tavallisesti beetahiukkaset eivät ole ihmisten terveyden kannalta huolenaiheita, koska ne on helppo suojata.
  
  Keinotekoisesti luodut beetahiukkaset (kuten kiihdyttimet) voivat tunkeutua ihoon helpommin, koska niillä on huomattavasti suurempi energia. Jotkut tutkimuslaitokset käyttävät näitä hiukkasia erilaisten syöpien hoitoon, koska ne voivat kohdistua hyvin tietyille alueille. Kasvaimen on kuitenkin oltava lähellä pintaa, jotta se ei vahingoita merkittäviä määriä välikudosta.

• Neutronisäteily: Ydinfuusio- tai ydinfissioprosesseissa syntyy erittäin korkeaenerginen neutroni. Atomiydin voi sitten imeä ne, jolloin atomi menee innostuneeseen tilaan ja se voi säteillä gammasäteitä. Nämä fotonit pommittavat sitten ympärillään olevia atomeja, mikä luo ketjureaktion, joka johtaa alueen radioaktiiviseen. Tämä on yksi ensisijaisista tavoista, joilla ihmiset loukkaantuvat työskennellessään ydinreaktoreiden ympärillä ilman asianmukaisia suojavarusteita.

Ionisoimaton säteily

Vaikka ionisoiva säteily (yllä) saa kaiken huomion siitä, että se on haitallista ihmisille, ionisoimattomalla säteilyllä voi olla myös merkittäviä biologisia vaikutuksia. Esimerkiksi ionisoimaton säteily voi aiheuttaa ihon palamista. Kuitenkin sitä käytämme ruoan keittämiseen mikroaaltouunissa. Ionisoimaton säteily voi tulla myös lämpösäteilynä, joka voi lämmittää materiaalia (ja siten atomeja) riittävän korkeisiin lämpötiloihin ionisatsauksen aiheuttamiseksi. Tätä prosessia pidetään kuitenkin erilaisena kuin kineettisiä tai fotoni-ionisaatioprosesseja.

Karl Jansky Very Large Array -radioteleskoopit sijaitsevat Lähellä Socorroa, New Mexicossa. Tämä matriisi keskittyy radiopäästöihin, jotka ovat peräisin erilaisista kohteista ja prosesseista taivaalla. NRAO/AUI

• Radioaallot: Radioaallot ovat sähkömagneettisen säteilyn (valon) pisin aallonpituusmuoto. Ne ulottuvat 1 millistä 100 kilometriin. Tämä alue on kuitenkin päällekkäinen mikroaaltonauhan kanssa (ks. jäljempänä). Radioaaltoja tuottavat luonnollisesti aktiiviset galaksit, pulsarit ja supernovan jäännökset. Ne on kuitenkin luotu myös keinotekoisesti radio- ja televisiolähetyksiä varten.

• Mikroaallot: Määritelty valon aallonpituudeksi 1–1 metrin (1 000 millimetrin) välillä, mikroaaltoja pidetään joskus radioaaltojen osajoukkona. Itse asiassa radioastronomia on yleensä mikroaaltokaistan tutkimus, koska pidempiä aallonpituussäteilyjä on hyvin vaikea havaita, koska se vaatisi valtavan kokoisia ilmaisimia; siis vain muutama vertaisryhmä yli 1 metrin aallonpituus. Vaikka mikroaallot eivät ole ionisoivia, ne voivat silti olla vaarallisia ihmisille, koska ne voivat antaa esineelle suuren määrän lämpöenergiaa, koska se on vuorovaikutuksessa vesi- ja vesihöyryn kanssa. (Tämän vuoksi mikroaaltojen observatoriot sijoitetaan tyypillisesti korkeisiin, kuiviin paikkoihin maapallolla, jotta voidaan vähentää häiriöitä, joita vesihöyry ilmakehässämme voi aiheuttaa kokeelle.

• Infrapunasäteily: Infrapunasäteily on sähkömagneettisen säteilyn kaista, joka käyttää aallonpituuksia 0,74 mikrometrin ja 300 mikrometrin välillä. (Metrissä on miljoona mikrometriä.) Infrapunasäteily on hyvin lähellä optista valoa, ja siksi sen tutkimiseen käytetään hyvin samankaltaisia tekniikoita. Joitakin vaikeuksia on kuitenkin voitettava; infrapunavaloa tuottavat ”huoneenlämpötilaan” verrattavissa oleva esine. Koska infrapunateleskooppien voimanlähteenä ja ohjana käytetään elektroniikkaa tällaisissa lämpötiloissa, itse laitteet antavat infrapunavaloa, mikä häiritsee tiedonhankintaa. Siksi instrumentit jäähdytetään nestemäisellä heliumilla, jotta ulkopuoliset infrapunafotonit eivät pääse ilmaisimeen. Suurin osa siitä, mitä Aurinko säteilee, joka saavuttaa Maan pinnan, on itse asiassa infrapunavaloa, jonka näkyvä säteily ei ole kaukana takana (ja ultravioletti kaukainen kolmas).

Infrapunanäkymä Spitzer-avaruusteleskoopin kaasu- ja pölypilvestä. ”Hämähäkki ja kärpänen” -tähtisumu on tähtiä muodostava alue, ja Spitzerin infrapunanäkymä näyttää pilven rakenteita, joihin vastasyntyneiden tähtien rykelmä vaikuttaa. Spitzer-avaruusteleskooppi/NASA

Näkyvä (optinen)valo : Näkyvän valon aallonpituusalue on 380 nanometriä (nm) ja 740 nm. Tämä on sähkömagneettista säteilyä, jonka pystymme havaitsemaan omilla silmillämme, kaikki muut muodot ovat näkymättömiä meille ilman elektronisia apuvälineitä. Näkyvä valo on itse asiassa vain hyvin pieni osa sähkömagneettista spektriä, minkä vuoksi on tärkeää tutkia kaikkia muita tähtitieteen aallonpituuksia, jotta saamme täydellisen kuvan maailmankaikkeudesta ja ymmärrämme taivaallisia kehoja ohjaavat fyysiset mekanismit.

• Blackbody Radiation: Blackbody on esine, joka säteilee sähkömagneettista säteilyä kuumennettaessa, tuotettu valon aallonpituus on verrannollinen lämpötilaan (tätä kutsutaan Wienin laiksi). Täydellistä mustavartta ei ole olemassakaan, mutta monet esineet, kuten Aurinkomme, Maa ja sähkölieden kelat, ovat melko hyviä likiarvoja.

• Lämpösäteily: Kun materiaalin sisällä olevat hiukkaset liikkuvat lämpötilansa vuoksi, tuloksena olevaa kineettistä energiaa voidaan kuvata järjestelmän kokonaislämpöenergiaksi. Jos kyseessä on mustaruusu (ks. edellä), lämpöenergiaa voidaan vapauttaa järjestelmästä sähkömagneettisen säteilyn muodossa.

Säteily, kuten näemme, on yksi universumin perusnäkökohdista. Ilman sitä meillä ei olisi valoa, lämpöä, energiaa tai elämää.

Lähteet
Carolyn Collins Petersen, tähtitieteen asiantuntija, .M.S. Journalismi ja joukkoviestintä, Coloradon yliopisto – Boulder
Ohi John P. Millis, ph. D. , ThoughCo