Hλεκτρομαγνητικό φάσμα: Πέρα από ορατό φως

hlektromagnikh-aktinovoliaΜαθαίνουμε για τον κόσμο γύρω μας μέσω των αισθήσεών μας. Τα μάτια μας παίζουν έναν σημαντικό ρόλο, γιατί το φως μεταφέρει ένα μεγάλο μέρος των πληροφοριών που αφορά την πηγή του και τα αντικείμενα που η το αντανακλούν η το απορροφούν. Όπως τα περισσότερα ζώα, έτσι και οι άνθρωποι έχουν ένα οπτικό σύστημα που συλλέγει φωτεινά σήματα και τα μεταβιβάζει στον εγκέφαλο. Τα μάτια μας, ωστόσο, είναι ευαίσθητα σε ένα μικρό τμήμα του φάσματος του φωτός – είμαστε τυφλοί σε οτιδήποτε άλλο εκτός από αυτό που ονομάζουμε ‘ορατό’ φως.

Η μήπως δεν είμαστε; Κατά τη διάρκεια του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν και οπτικοποίησαν μερικά διαφορετικά είδη από το προηγουμένως αόρατο φως: υπεριώδη και υπέρυθρη ακτινοβολία, ακτίνες-Χ και ακτίνες-γ, ραδιοκύματα και μικροκύματα. Έγινε σύντομα φανερό ότι το ορατό φως και αυτές οι μορφές φωτός που είχαν πρόσφατα ανακαλυφθεί ήταν όλες εκδηλώσεις του ίδιου πράγματος: της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (δείτε το Σχήμα 1).

image

Σχήμα 1: Ένα σχεδιάγραμμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος με ενδείξεις για τα μήκη κύματος, τις συχνότητες και τις ενέργειες

Τα διάφορα είδη της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ξεχωρίζουν από την ενέργειά τους: οι ακτίνες-γ είναι οι πιο ενεργητικές, και ακολουθούν οι ακτίνες-Χ, οι υπεριώδεις, το ορατό και το υπέρυθρο φως. Τα είδη της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με μήκη κύματος μεγαλύτερα από το υπέρυθρο φως κατατάσσονται στα ραδιοκύματα. Αυτά υποδιαιρούνται στα (υπο)χιλιοστόμετρα κύματα, στα μικροκύματα και σε μεγαλύτερου μήκους ραδιοκύματα. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διαδίδεται ως κύματα που ταξιδεύουν ακόμη και στο κενό. Η ενέργεια (E) του κύματος σχετίζεται με την συχνότητα του (f): E = hf, όπου h είναι η σταθερά του Planck που παίρνει το όνομά της από τον Γερμανό φυσικό Max Planck. Η σχέση ανάμεσα στην συχνότητα και το μήκος κύματος (λ) της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας δίνεται από fλ = c, όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό. Αυτές οι δύο σχέσεις επιτρέπουν στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία να περιγράφεται με όρους όχι μόνο της ενέργειας αλλά επίσης και της συχνότητας και του μήκους κύματος.

Η ακτινοβολία στις διάφορες ενέργειες (η οι συχνότητες, η τα μήκη κύματος) παράγεται από διαφορετικές φυσικές διεργασίες και μπορεί να ανιχνευτεί με διαφορετικούς τρόπους – και γι’ αυτό, για παράδειγμα, το υπεριώδες φως και τα ραδιοκύματα έχουν διαφορετικές εφαρμογές στην καθημερινή ζωή.

image
Σχήμα 2: Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και η αδιαφάνεια της ατμόσφαιρας. α) Οι ακτίνες-γ, ακτίνες-Χ και το υπεριώδες φως μπλοκάρονται από τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας (και έτσι παρατηρούνται καλύτερα από το διάστημα). β) Το ορατό φως παρατηρείται καλύτερα από την Γη, με κάποια ατμοσφαιρική παραμόρφωση. γ) Το περισσότερο από το υπέρυθρο φάσμα απορροφάται από την ατμόσφαιρα (και έτσι παρατηρείται καλύτερα από το διάστημα). δ) Τα (υπο)χιλιοστόμετρα κύματα και τα μικροκύματα μπορούν να παρατηρηθούν από το έδαφος σε μεγάλα υψόμετρα σε ιδιαίτερα ξηρά κλίματα. ε) Τα μεσαίου μήκους κύματος ραδιοκύματα μπορούν εύκολα να παρατηρηθούν από το έδαφος, αλλά μήκη κύματος πάνω από 10 μέτρα απορροφώνται από την ατμόσφαιρα.

Προς το τέλος του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες άρχισαν να ερευνούν πως αυτή η ακτινοβολία από τον κόσμο θα μπορούσε να συλληφθεί για να ‘δει’ αστρονομικά αντικείμενα, όπως αστέρες και γαλαξίες, σε μήκη κύματος πέρα από την κλίμακα του οπτικού πεδίου. Πρώτα όμως έπρεπε να ξεπεράσουν το φράγμα της ατμόσφαιρας της Γης.

Η ατμόσφαιρα είναι φυσικά διαπερατή στο ορατό φως – αυτός είναι και ο λόγος που πολλά ζώα έχουν αναπτύξει μάτια που είναι ευαίσθητα σε αυτό το τμήμα του φάσματος.Ωστόσο, πολύ λίγο από το υπόλοιπο του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος μπορεί να διαπεράσει τα παχιά στρώματα της ατμόσφαιρας μας (Σχήμα 2).

  • Οι πολύ ενεργητικές ακτίνες-γ και ακτίνες-Χ, με μήκη κύματος τόσο μικρά όσο τα άτομα η και μικρότερα, απορροφώνται από το οξυγόνο και το άζωτο στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Αυτό προστατεύει την ζωή στην Γη από την θανατηφόρα ακτινοβολία αλλά δυσκολεύει τους αστρονόμους να ανιχνεύσουν την ακτινοβολία.
image Η εικόνα προσφέρθηκε από ESA
image Η εικόνα προσφέρθηκε από ESA
  • Η περισσότερη αλλά όχι όλη υπεριώδης ακτινοβολία απορροφάται από το οξυγόνο και το όζον στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας και στην στρατόσφαιρα. Για να εκμεταλλευτούν όποιο ποσό υπεριώδους ακτινοβολίας φτάνει στην Γη, μερικά ζώα έχουν αναπτύξει μάτια που μπορούν να την ανιχνεύσουν.
  • Τα μικρότερα μήκη κύματος της υπέρυθρης ακτινοβολίας μπορούν να διαπεράσουν την ατμόσφαιρα, αλλά καθώς το μήκος κύματός της πλησιάζει το ένα μικρομέτρο, η υπέρυθρη ακτινοβολία τείνει να απορροφάται από τους υδρατμούς και άλλα μόρια στην ατμόσφαιρα.
  • Το ίδιο συμβαίνει στην ακτινοβολία (υπο)χιλιοστόμετρων – ραδιοκύματα με μήκη κύματος από μερικές εκατοντάδες μικρομέτρα ως περίπου 1 χιλιοστό – και στα μικροκύματα. Μπορούν να παρατηρηθούν χρησιμοποιώντας επίγειες εγκαταστάσεις που βρίσκονται σε περιοχές με μεγάλο υψόμετρο με ένα ιδιαίτερα ξηρό κλίμα (όπως περιγράφεται από τους Mignone & Pierce-Price, 2010), η με πειράματα με μπαλόνι/αερόστατο και επίσης διαστημικά πειράματα.
  • Η ατμόσφαιρα είναι διαπερατή από τα μεσαίου μήκους κύματος ραδιοκύματα, που εύκολα μπορούν να παρατηρηθούν από το έδαφος, αλλά μπλοκάρει τα ραδιοκύματα με μήκη κύματος μεγαλύτερα από δέκα μέτρα.

Η μη διαπερατότητα της ατμόσφαιρας δεν είναι η μόνη πρόκληση που ενέχει για τους αστρονόμους˙ η τύρβη της επίσης μειώνει την ποιότητα των αστρονομικών παρατηρήσεων ακόμη και στα μήκη κύματος που φτάνουν στο έδαφος όπως το ορατό φως. Αντιμέτωποι με αυτά τα προβλήματα, στο δεύτερο μισό του 20ου αιώνα , μετά την αρχή της διαστημικής εποχής, οι αστρονόμοι άρχισαν να τοποθετούν τα τηλεσκόπια τους πέρα από την ατμόσφαιρα, στο διάστημα. Αυτό ξεκίνησε μια επανάσταση στην αστρονομία συγκρίσιμη με την εφεύρεση του πρώτου τηλεσκοπίου πριν από περίπου 400 χρόνια.

image

Σχήμα 3: Ο Γαλαξίας της Ανδρομέδας, ο πιο κοντινός σε εμάς μεγάλος γαλαξίας, όπως φαίνεται σε διαφορετικά μήκη κύματος. Οι παρατηρήσεις στο ορατό φως, με επίγειο τηλεσκόπιο, δείχνει τα μερικές εκατοντάδες δισεκατομμύρια άστρα που αποτελούν τον γαλαξία. Παρατηρήσεις στο υπέρυθρο, από το Herschel διαστημικό αστεροσκοπείο, φανερώνει το μείγμα των (κυρίως) αερίων και σκόνης από το οποίο θα γεννηθούν τα νέα άστρα. Οι παρατηρήσεις ακτίνων-Χ, από το XMM-Newton διαστημικό αστεροσκοπείο, δείχνουν την λάμψη που εκπέμπεται από αστέρες που βρίσκονται κοντά στο τέλος του κύκλου της ζωής τους η από υπολείμματα αστέρων που έχουν ήδη πεθάνει.

Επειδή οι διαφορετικές φυσικές διεργασίες εκπέμπουν ακτινοβολία σε διαφορετικά μήκη κύματος, οι κοσμικές πηγές ακτινοβολούν σε ένα η περισσότερα τμήματα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Εκμεταλλευόμενοι επομένως και τα επίγεια και τα διαστημικά τηλεσκόπια, οι αστρονόμοι σήμερα μπορούν να συνδυάσουν παρατηρήσεις σε όλο το μήκος του φάσματος, και αυτό έχει παράγει μια εξαιρετικά σαγηνευτική εικόνα του Σύμπαντος που παρέμενε μέχρι τώρα κρυφή (Σχήμα 3 και Σχήμα 4). Παρατηρήσεις στη υπέρυθρη περιοχή, για παράδειγμα, δείχνουν το κατά τα άλλα αόρατο μείγμα σκόνης και αερίου που γεμίζει τον διαστρικό χώρο και από το οποίο γεννιούνται νέα άστρα. Ανιχνεύοντας ακτίνες-γ και ακτίνες-Χ, οι αστρονόμοι μπορούν να παρατηρήσουν τα πιο ισχυρά φαινόμενα στο Σύμπαν, όπως τις μαύρες τρύπες να καταβροχθίζουν την ύλη και τις εκρήξεις υπερκαινοφανών αστέρων.

image

Σχήμα 4: Το Νεφέλωμα του Ωρίωνα, ένα εικονικό κοσμικό ‘βρεφοκομείο’, όπως φαίνεται στα διάφορα μήκη κύματος. Το μπλε πλαίσιο κάνει ζουμ σε ένα τμήμα του αστερισμού του Ωρίωνα, και το πορτοκαλί πλαίσιο κάνει ζουμ περαιτέρω, δείχνοντας το Νεφέλωμα του Ωρίωνα με μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Αυτή η περιοχή, όπου χιλιάδες αστέρες δημιουργούνται, φαίνεται πολύ διαφορετική κατά μήκος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Οι παρατηρήσεις στο ορατό φως, από επίγεια αστεροσκοπεία, δείχνουν κυρίως αστέρες, ενώ παρατηρήσεις σε μεγαλύτερα μήκη κύματος (κοντινό- και μέσο-υπέρυθρο, (υπό)χιλιοστόμετρα και μικροκύματα) φανερώνουν το περίπλοκο μείγμα από κρύο αέριο και σκόνη από το οποίο γεννιούνται τα άστρα. Σε αντίθεση, οι παρατηρήσεις σε ακτίνες-Χ δείχνουν το εξαιρετικά θερμό αέριο να εκτινάσσεται από νεαρά, ογκώδη άστρα.

Η επιμελής έρευνα του κόσμου κατά μήκος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος είναι ένας από τους επιστημονικούς στόχους του Ευρωπαϊκού Διαστημικού Οργανισμού (ESA).

image

Σχήμα 5: Ο τρέχων και μελλοντικός στόλος των αποστολών του ESA που διερευνά το Σύμπαν κατά μήκος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Από αριστερά προς τα δεξιά: ραδιοκύματα, μικροκύματα, ακτινοβολία (υπο)χιλιοστόμετρων, υπέρυθρο, οπτικό φως, υπεριώδες, ακτίνες-Χ και ακτίνες-γ. Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση

Στο μέλλον τα άρθρα του Science in School, θα εξερευνήσουν το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα με μεγαλύτερη λεπτομέρεια με την βοήθεια του στόλου των περασμένων και τωρινών διαστημικών τηλεσκοπίων του ESA, που έχουν συμβάλλει στην αναμόρφωση και κατανόηση του Σύμπαντος.

Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedIn

Δείτε επίσης