Radiación en el espacio y astronomía

La astronomía es el estudio de objetos en el universo que irradian (o reflejan) energía de todo el espectro electromagnético. Los astrónomos estudian la radiación de todos los objetos del universo. Echemos un vistazo en profundidad a las formas de radiación que existen.

Para comprender completamente el universo, los científicos deben observarlo en todo el espectro electromagnético. Esto incluye las partículas de alta energía como los rayos cósmicos. Algunos objetos y procesos son en realidad completamente invisibles en ciertas longitudes de onda (incluso ópticas), por lo que los astrónomos los miran en muchas longitudes de onda. Algo invisible en una longitud de onda o frecuencia puede ser muy brillante en otra, y eso les dice a los científicos algo muy importante al respecto.

La radiación describe partículas elementales, núcleos y ondas electromagnéticas a medida que se propagan a través del espacio. Los científicos generalmente hacen referencia a la radiación de dos maneras: ionizante y no ionizante.

La ionización es el proceso por el cual los electrones se eliminan de un átomo. Esto sucede todo el tiempo en la naturaleza, y simplemente requiere que el átomo colisione con un fotón o una partícula con suficiente energía para excitar las elecciones. Cuando esto sucede, el átomo ya no puede mantener su enlace con la partícula.

Ciertas formas de radiación transportan suficiente energía para ionizar varios átomos o moléculas. Pueden causar un daño significativo a las entidades biológicas al causar cáncer u otros problemas de salud importantes. La extensión del daño por radiación es una cuestión de cuánta radiación fue absorbida por el organismo.

El umbral mínimo energía necesaria para que la radiación se considere ionizante es de aproximadamente 10 electronvoltios (10 eV). Existen varias formas de radiación que existen naturalmente por encima de este umbral:

• Rayos gamma: Rayos gamma (generalmente designado por la letra griega γ) son una forma de radiación electromagnética. Representan las formas de luz de mayor energía en el universo. Los rayos gamma se producen a partir de una variedad de procesos, que van desde la actividad dentro de los reactores nucleares hasta las explosiones estelares llamadas supernovas y eventos altamente energéticos conocidos como bursters de rayos gamma. Dado que los rayos gamma son radiación electromagnética, no interactúan fácilmente con los átomos a menos que ocurra una colisión frontal. En este caso, el rayo gamma "decaerá" en un par electrón-positrón. Sin embargo, si un rayo gamma es absorbido por una entidad biológica (por ejemplo, una persona), se puede hacer un daño significativo, ya que se necesita una cantidad considerable de energía para detener dicha radiación. En este sentido, los rayos gamma son quizás la forma más peligrosa de radiación para los humanos. Afortunadamente, si bien pueden penetrar varias millas en nuestra atmósfera antes de interactuar con un átomo, nuestra atmósfera es lo suficientemente gruesa como para que la mayoría de los rayos gamma sean absorbidos antes de llegar al suelo. Sin embargo, los astronautas en el espacio carecen de protección contra ellos y están limitados a la cantidad de tiempo que pueden pasar "fuera" de una nave espacial o estación espacial. Si bien las dosis muy altas de radiación gamma pueden ser fatales, el resultado más probable de exposiciones repetidas a dosis superiores a la media de rayos gamma (como las experimentadas por los astronautas, por ejemplo) es un mayor riesgo de cáncer. Esto es algo que los expertos en ciencias de la vida en las agencias espaciales del mundo estudian de cerca.
• Rayos X: los rayos X son, como los rayos gamma, una forma de ondas electromagnéticas (luz). Por lo general, se dividen en dos clases: rayos X blandos (aquellos con longitudes de onda más largas) y rayos X duros (aquellos con longitudes de onda más cortas). Cuanto más corta es la longitud de onda (es decir, el Más fuerte la radiografía) cuanto más peligroso es. Esta es la razón por la cual se usan rayos X de baja energía en las imágenes médicas. Los rayos X típicamente ionizarán átomos más pequeños, mientras que los átomos más grandes pueden absorber la radiación ya que tienen espacios más grandes en sus energías de ionización. Esta es la razón por la cual las máquinas de rayos X tomarán imágenes de cosas como huesos muy bien (están compuestas de elementos más pesados) mientras que son imágenes pobres de tejido blando (elementos más ligeros). Se estima que las máquinas de rayos X y otros dispositivos derivados representan entre 35-50% de la radiación ionizante experimentada por personas en los Estados Unidos.
• Partículas Alfa: Una partícula alfa (designada por la letra griega α) consta de dos protones y dos neutrones; exactamente la misma composición que un núcleo de helio. Centrándose en el proceso de descomposición alfa que los crea, esto es lo que sucede: la partícula alfa es expulsado del núcleo principal con una velocidad muy alta (por lo tanto, alta energía), generalmente superior al 5% del velocidad de la luz. Algunas partículas alfa llegan a la Tierra en forma de rayos cósmicos y puede alcanzar velocidades superiores al 10% de la velocidad de la luz. En general, sin embargo, las partículas alfa interactúan a distancias muy cortas, por lo que aquí en la Tierra, la radiación de partículas alfa no es una amenaza directa para la vida. Simplemente es absorbido por nuestra atmósfera exterior. De todos modos, eso es Un peligro para los astronautas.
• Partículas Beta: El resultado de la desintegración beta, las partículas beta (generalmente descritas por la letra griega Β) son electrones energéticos que escapan cuando un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un anti-neutrino. Estos electrones son más energéticos que las partículas alfa, pero menos que los rayos gamma de alta energía. Normalmente, las partículas beta no son preocupantes para la salud humana, ya que se protegen fácilmente. Las partículas beta creadas artificialmente (como en los aceleradores) pueden penetrar la piel más fácilmente ya que tienen una energía considerablemente más alta. Algunos lugares usan estos haces de partículas para tratar varios tipos de cáncer debido a su capacidad para apuntar a regiones muy específicas. Sin embargo, el tumor debe estar cerca de la superficie para no dañar cantidades significativas de tejido intercalado.
• Radiación de neutrones: Los neutrones de muy alta energía se crean durante los procesos de fusión nuclear o de fisión nuclear. Luego pueden ser absorbidos por un núcleo atómico, haciendo que el átomo entre en un estado excitado y puede emitir rayos gamma. Estos fotones luego excitarán los átomos a su alrededor, creando una reacción en cadena, que conducirá a que el área se vuelva radiactiva. Esta es una de las principales formas en que los humanos resultan heridos mientras trabajan en reactores nucleares sin el equipo de protección adecuado.

Mientras que la radiación ionizante (arriba) tiene mucha presión sobre ser dañino para los humanos, la radiación no ionizante también puede tener efectos biológicos significativos. Por ejemplo, la radiación no ionizante puede causar cosas como quemaduras solares. Sin embargo, es lo que usamos para cocinar alimentos en hornos de microondas. La radiación no ionizante también puede presentarse en forma de radiación térmica, que puede calentar el material (y, por lo tanto, los átomos) a temperaturas suficientemente altas como para causar ionización. Sin embargo, este proceso se considera diferente de los procesos de ionización cinética o fotónica.

• Ondas de radio: Las ondas de radio son la forma de longitud de onda más larga de radiación electromagnética (luz). Abarcan 1 milímetro a 100 kilómetros. Este rango, sin embargo, se superpone con la banda de microondas (ver más abajo). Las ondas de radio son producidas naturalmente por galaxias activas (específicamente del área alrededor de su agujeros negros supermasivos), púlsares y en restos de supernova. Pero también se crean artificialmente para fines de transmisión de radio y televisión.
• Microondas: Definidas como longitudes de onda de luz entre 1 milímetro y 1 metro (1,000 milímetros), las microondas a veces se consideran un subconjunto de ondas de radio. De hecho, la radioastronomía es generalmente el estudio de la banda de microondas, ya que la radiación de longitud de onda más larga es muy difícil de detectar ya que requeriría detectores de inmenso tamaño; por lo tanto solo unos pocos pares más allá de la longitud de onda de 1 metro. Si bien no son ionizantes, las microondas aún pueden ser peligrosas para los humanos, ya que pueden impartir una gran cantidad de energía térmica a un elemento debido a sus interacciones con el agua y el vapor de agua. (Esta es también la razón por la cual los observatorios de microondas generalmente se colocan en lugares altos y secos de la Tierra, para disminuir la cantidad de interferencia que el vapor de agua en nuestra atmósfera puede causar al experimento.
• Radiación infrarroja: La radiación infrarroja es la banda de radiación electromagnética que ocupa longitudes de onda entre 0,74 micrómetros y hasta 300 micrómetros. (Hay 1 millón de micrómetros en un metro). La radiación infrarroja está muy cerca de la luz óptica y, por lo tanto, se utilizan técnicas muy similares para estudiarla. Sin embargo, hay algunas dificultades que superar; a saber, la luz infrarroja es producida por objetos comparables a la "temperatura ambiente". Dado que la electrónica utilizada para alimentar y controlar los telescopios infrarrojos funcionará a tales temperaturas, los propios instrumentos emitirán luz infrarroja, interfiriendo con la adquisición de datos. Por lo tanto, los instrumentos se enfrían con helio líquido, para reducir la entrada de fotones infrarrojos extraños al detector. La mayor parte de lo que el sol Las emisiones que alcanzan la superficie de la Tierra son en realidad luz infrarroja, con la radiación visible no muy lejos (y ultravioleta en un tercio distante).

• Luz visible (óptica): El rango de longitudes de onda de la luz visible es de 380 nanómetros (nm) y 740 nm. Esta es la radiación electromagnética que podemos detectar con nuestros propios ojos, todas las demás formas son invisibles para nosotros sin ayudas electrónicas. La luz visible es en realidad solo una parte muy pequeña del espectro electromagnético, por lo que es importante estudiar todas las demás longitudes de onda en astronomía para obtener una imagen completa de universo y comprender los mecanismos físicos que gobiernan los cuerpos celestes.
• Radiación de cuerpo negro: Un cuerpo negro es un objeto que emite radiación electromagnética cuando se calienta, la longitud de onda máxima de la luz producida será proporcional a la temperatura (esto se conoce como la Ley de Wien). No existe un cuerpo negro perfecto, pero muchos objetos como nuestro Sol, la Tierra y las bobinas de su estufa eléctrica son aproximaciones bastante buenas.
• Radiación termal: A medida que las partículas dentro de un material se mueven debido a su temperatura, la energía cinética resultante puede describirse como la energía térmica total del sistema. En el caso de un objeto de cuerpo negro (ver arriba), la energía térmica se puede liberar del sistema en forma de radiación electromagnética.

La radiación, como podemos ver, es uno de los aspectos fundamentales del universo. Sin ella, no tendríamos luz, calor, energía o vida.

Editado por Carolyn Collins Petersen.