Rayonnement dans l'espace et astronomie

L'astronomie est l'étude d'objets dans l'univers qui rayonnent (ou réfléchissent) l'énergie à travers le spectre électromagnétique. Les astronomes étudient le rayonnement de tous les objets de l'univers. Jetons un regard en profondeur sur les formes de rayonnement.

Afin de comprendre complètement l'univers, les scientifiques doivent le regarder à travers tout le spectre électromagnétique. Cela inclut les particules de haute énergie telles que les rayons cosmiques. Certains objets et processus sont en fait complètement invisibles dans certaines longueurs d'onde (même optiques), c'est pourquoi les astronomes les regardent dans de nombreuses longueurs d'onde. Quelque chose d'invisible à une longueur d'onde ou à une fréquence peut être très brillant dans une autre, et cela dit aux scientifiques quelque chose de très important à ce sujet.

Le rayonnement décrit les particules élémentaires, les noyaux et les ondes électromagnétiques qui se propagent dans l'espace. Les scientifiques font généralement référence au rayonnement de deux manières: ionisante et non ionisante.

L'ionisation est le processus par lequel les électrons sont retirés d'un atome. Cela se produit tout le temps dans la nature, et cela nécessite simplement que l'atome entre en collision avec un photon ou une particule avec suffisamment d'énergie pour exciter les élections. Lorsque cela se produit, l'atome ne peut plus maintenir sa liaison avec la particule.

Certaines formes de rayonnement transportent suffisamment d'énergie pour ioniser divers atomes ou molécules. Ils peuvent causer des dommages importants aux entités biologiques en causant le cancer ou d'autres problèmes de santé importants. L'étendue des dommages causés par le rayonnement dépend de la quantité de rayonnement absorbée par l'organisme.

Le seuil minimum énergie nécessaire pour que le rayonnement soit considéré comme ionisant est d'environ 10 électrons volts (10 eV). Il existe plusieurs formes de rayonnement qui existent naturellement au-dessus de ce seuil:

• Rayons gamma: Rayons gamma (généralement désignée par la lettre grecque γ) sont une forme de rayonnement électromagnétique. Ils représentent les formes de lumière les plus énergétiques l'univers. Les rayons gamma se produisent à partir d'une variété de processus, allant de l'activité à l'intérieur des réacteurs nucléaires aux explosions stellaires appelées supernovae et des événements hautement énergétiques connus sous le nom d'éclateurs à rayons gamma. Étant donné que les rayons gamma sont un rayonnement électromagnétique, ils n'interagissent pas facilement avec les atomes à moins qu'une collision frontale ne se produise. Dans ce cas, le rayon gamma "se désintègre" en une paire électron-positon. Cependant, si un rayon gamma est absorbé par une entité biologique (par exemple une personne), des dommages importants peuvent être causés car il faut une quantité considérable d'énergie pour arrêter un tel rayonnement. En ce sens, les rayons gamma sont peut-être la forme de rayonnement la plus dangereuse pour l'homme. Heureusement, alors qu'ils peuvent pénétrer plusieurs kilomètres dans notre atmosphère avant d'interagir avec un atome, notre atmosphère est suffisamment épaisse pour que la plupart des rayons gamma soient absorbés avant d'atteindre le sol. Cependant, les astronautes dans l'espace manquent de protection contre eux et sont limités au temps qu'ils peuvent passer "à l'extérieur" d'un vaisseau spatial ou d'une station spatiale. Bien que des doses très élevées de rayonnement gamma puissent être fatales, l'issue la plus probable d'expositions répétées à des doses de rayons gamma supérieures à la moyenne (comme celles des astronautes, par exemple) augmentent le risque de cancer. C'est quelque chose que les experts en sciences de la vie des agences spatiales mondiales étudient de près.
• Rayons X: les rayons X sont, comme les rayons gamma, une forme d'ondes électromagnétiques (lumière). Ils sont généralement divisés en deux classes: les rayons X mous (ceux avec les longueurs d'onde plus longues) et les rayons X durs (ceux avec les longueurs d'onde plus courtes). Plus la longueur d'onde est courte (c.-à-d. Plus fort la radiographie) plus elle est dangereuse. C'est pourquoi les rayons X à faible énergie sont utilisés en imagerie médicale. Les rayons X ionisent généralement des atomes plus petits, tandis que des atomes plus gros peuvent absorber le rayonnement car ils ont de plus grandes lacunes dans leurs énergies d'ionisation. C'est pourquoi les appareils à rayons X imageront très bien des choses comme les os (ils sont composés d'éléments plus lourds) alors qu'ils sont de mauvais imageurs de tissus mous (éléments plus légers). On estime que les appareils à rayons X et autres appareils dérivés représentent entre 35 et 50% des rayonnements ionisants subis par les Américains.
• Particules alpha: Une particule alpha (désignée par la lettre grecque α) se compose de deux protons et de deux neutrons; exactement la même composition qu'un noyau d'hélium. En se concentrant sur le processus de désintégration alpha qui les crée, voici ce qui se passe: la particule alpha est éjecté du noyau parent à très grande vitesse (donc haute énergie), généralement supérieure à 5% du vitesse de la lumière. Certaines particules alpha arrivent sur Terre sous forme de rayons cosmiques et peut atteindre des vitesses supérieures à 10% de la vitesse de la lumière. En général, cependant, les particules alpha interagissent sur de très courtes distances, donc ici sur Terre, le rayonnement des particules alpha n'est pas une menace directe pour la vie. Il est simplement absorbé par notre atmosphère extérieure. Cependant, il est un danger pour les astronautes.
• Particules bêta: Le résultat de la désintégration bêta, les particules bêta (généralement décrites par la lettre grecque Β) sont des électrons énergétiques qui s'échappent lorsqu'un neutron se désintègre en proton, électron et anti-neutrino. Ces électrons sont plus énergétiques que les particules alpha mais moins que les rayons gamma de haute énergie. Normalement, les particules bêta ne sont pas préoccupantes pour la santé humaine car elles sont facilement protégées. Les particules bêta créées artificiellement (comme dans les accélérateurs) peuvent pénétrer la peau plus facilement car elles ont une énergie considérablement plus élevée. Certains endroits utilisent ces faisceaux de particules pour traiter divers types de cancer en raison de leur capacité à cibler des régions très spécifiques. Cependant, la tumeur doit être près de la surface pour ne pas endommager des quantités importantes de tissu intercalé.
• Rayonnement neutronique: Des neutrons de très haute énergie sont créés lors de processus de fusion ou de fission nucléaire. Ils peuvent ensuite être absorbés par un noyau atomique, entraînant l'atome dans un état excité et il peut émettre des rayons gamma. Ces photons exciteront alors les atomes autour d'eux, créant une réaction en chaîne, conduisant la zone à devenir radioactive. C'est l'une des principales façons dont les humains sont blessés lorsqu'ils travaillent autour des réacteurs nucléaires sans équipement de protection approprié.

Alors que les rayonnements ionisants (ci-dessus) sont très connus pour être nocifs pour l'homme, les rayonnements non ionisants peuvent également avoir des effets biologiques importants. Par exemple, les rayonnements non ionisants peuvent provoquer des coups de soleil. Pourtant, c'est ce que nous utilisons pour cuire les aliments dans des fours à micro-ondes. Le rayonnement non ionisant peut également prendre la forme d'un rayonnement thermique, qui peut chauffer le matériau (et donc les atomes) à des températures suffisamment élevées pour provoquer l'ionisation. Cependant, ce processus est considéré comme différent des processus d'ionisation cinétique ou photonique.

• Les ondes radio: Les ondes radio sont la forme de rayonnement électromagnétique (lumière) la plus longue. Ils s'étendent de 1 millimètre à 100 kilomètres. Cette plage, cependant, chevauche la bande hyperfréquence (voir ci-dessous). Les ondes radio sont produites naturellement par galaxies actives (en particulier de la zone autour de leur trous noirs supermassifs), pulsars et en restes de supernova. Mais ils sont également créés artificiellement à des fins de transmission radio et télévision.
• Micro-ondes: Définies comme des longueurs d'onde de lumière comprises entre 1 millimètre et 1 mètre (1 000 millimètres), les micro-ondes sont parfois considérées comme un sous-ensemble d'ondes radio. En fait, la radioastronomie est généralement l'étude de la bande hyperfréquence, car un rayonnement de plus grande longueur d'onde est très difficile à détecter car il nécessiterait des détecteurs de taille immense; donc seulement quelques pairs au-delà de la longueur d'onde de 1 mètre. Bien que non ionisantes, les micro-ondes peuvent toujours être dangereuses pour l'homme car elles peuvent conférer une grande quantité d'énergie thermique à un article en raison de ses interactions avec l'eau et la vapeur d'eau. (C'est aussi pourquoi les observatoires à micro-ondes sont généralement placés dans des endroits hauts et secs de la Terre, afin de réduire la quantité d'interférences que la vapeur d'eau dans notre atmosphère peut causer à l'expérience.
• Rayonnement infrarouge: Le rayonnement infrarouge est la bande de rayonnement électromagnétique qui occupe des longueurs d'onde comprises entre 0,74 micromètre et 300 micromètres. (Il y a 1 million de micromètres dans un mètre.) Le rayonnement infrarouge est très proche de la lumière optique, et donc des techniques très similaires sont utilisées pour l'étudier. Cependant, il y a quelques difficultés à surmonter; à savoir la lumière infrarouge est produite par des objets comparables à la "température ambiante". Étant donné que l'électronique utilisée pour alimenter et contrôler les télescopes infrarouges fonctionnera à de telles températures, les instruments eux-mêmes émettront une lumière infrarouge, gênant l'acquisition de données. Par conséquent, les instruments sont refroidis à l'aide d'hélium liquide, afin de réduire les photons infrarouges étrangers d'entrer dans le détecteur. La plupart de ce le soleil émet qui atteint la surface de la Terre est en fait de la lumière infrarouge, avec le rayonnement visible non loin derrière (et ultraviolet un tiers éloigné).

• Lumière visible (optique): La plage de longueurs d'onde de la lumière visible est de 380 nanomètres (nm) et 740 nm. C'est le rayonnement électromagnétique que nous pouvons détecter de nos propres yeux, toutes les autres formes nous sont invisibles sans aides électroniques. La lumière visible n'est en fait qu'une très petite partie du spectre électromagnétique, c'est pourquoi il est important d'étudier toutes les autres longueurs d'onde en astronomie pour obtenir une image complète du univers et pour comprendre les mécanismes physiques qui régissent les corps célestes.
• Rayonnement du corps noir: Un corps noir est un objet qui émet un rayonnement électromagnétique lorsqu'il est chauffé, la longueur d'onde de crête de la lumière produite sera proportionnelle à la température (c'est ce que l'on appelle la loi de Wien). Un corps noir parfait n'existe pas, mais de nombreux objets comme notre Soleil, la Terre et les bobines de votre cuisinière électrique sont de très bonnes approximations.
• Radiation thermique: Lorsque les particules à l'intérieur d'un matériau se déplacent en raison de leur température, l'énergie cinétique résultante peut être décrite comme l'énergie thermique totale du système. Dans le cas d'un corps noir (voir ci-dessus), l'énergie thermique peut être libérée du système sous forme de rayonnement électromagnétique.

Le rayonnement, comme nous pouvons le voir, est l'un des aspects fondamentaux de l'univers. Sans cela, nous n'aurions ni lumière, ni chaleur, ni énergie, ni vie.

Édité par Carolyn Collins Petersen.