Astronomie

Obiectele din univers emit o gamă enormă de radiații electromagnetice. Oamenii de știință numesc această gamă spectrul electromagnetic, pe care l-au împărțit în mai multe categorii. Spectrul este prezentat în figura 1, cu câteva informații despre undele din fiecare parte sau bandă.

Figura 1: Radiația și atmosfera Pământului. Această figură arată benzile din spectrul electromagnetic și cât de bine le transmite atmosfera Pământului. Rețineți că undele de înaltă frecvență din spațiu nu ajung la suprafață și, prin urmare, trebuie observate din spațiu. Unele radiații infraroșii și microunde sunt absorbite de apă și, prin urmare, sunt observate cel mai bine de la altitudini mari. Undele radio de joasă frecvență sunt blocate de ionosfera Pământului. (credit: modificare a lucrării realizate de STScI/JHU/NASA)

Tipuri de radiații electromagnetice

Radiațiile electromagnetice cu cele mai scurte lungimi de undă, nu mai mari de 0,01 nanometri, sunt clasificate ca raze gamma (1 nanometru = 10-9 metri; vezi Unități utilizate în știință). Denumirea gamma provine de la a treia literă a alfabetului grecesc: razele gamma au fost al treilea tip de radiație descoperită provenind de la atomii radioactivi atunci când fizicienii au investigat pentru prima dată comportamentul acestora. Deoarece razele gamma transportă o cantitate mare de energie, ele pot fi periculoase pentru țesuturile vii. Radiațiile gamma sunt generate în adâncul interiorului stelelor, precum și de unele dintre cele mai violente fenomene din univers, cum ar fi moartea stelelor și fuziunea cadavrelor stelare. Razele gamma care ajung pe Pământ sunt absorbite de atmosfera noastră înainte de a ajunge la sol (ceea ce este un lucru bun pentru sănătatea noastră); astfel, ele pot fi studiate doar cu ajutorul instrumentelor din spațiu.

Radiațiile electromagnetice cu lungimi de undă cuprinse între 0,01 nanometri și 20 de nanometri sunt denumite raze X. Fiind mai energetice decât lumina vizibilă, razele X sunt capabile să pătrundă în țesuturile moi, dar nu și în oase, permițându-ne astfel să realizăm imagini ale umbrelor oaselor din interiorul nostru. Deși razele X pot pătrunde pe o lungime scurtă de carne umană, ele sunt oprite de numărul mare de atomi din atmosfera Pământului cu care interacționează. Astfel, astronomia cu raze X (ca și astronomia cu raze gamma) nu s-a putut dezvolta până când nu am inventat modalități de a trimite instrumente deasupra atmosferei noastre (Figura 2).

Figura 2: Cerul cu raze X. Aceasta este o hartă a cerului acordat la anumite tipuri de raze X (văzute de deasupra atmosferei terestre). Harta înclină cerul astfel încât discul galaxiei noastre Calea Lactee să treacă prin centrul său. A fost construită și colorată în mod artificial din datele colectate de satelitul european ROSAT. Fiecare culoare (roșu, galben și albastru) prezintă raze X de diferite frecvențe sau energii. De exemplu, culoarea roșie conturează strălucirea unei bule locale fierbinți de gaz din jurul nostru, suflată de una sau mai multe stele care explodează în vecinătatea noastră cosmică. Galbenul și albastrul arată surse mai îndepărtate de raze X, cum ar fi rămășițele altor stele care au explodat sau centrul activ al galaxiei noastre (în mijlocul imaginii). (credit: modificare după o lucrare a NASA)

Radiația intermediară între razele X și lumina vizibilă este cea ultravioletă (ceea ce înseamnă o energie mai mare decât cea violetă). În afara lumii științei, lumina ultravioletă este uneori numită „lumină neagră”, deoarece ochii noștri nu o pot vedea. Radiația ultravioletă este blocată în cea mai mare parte de stratul de ozon din atmosfera Pământului, dar o mică fracțiune din razele ultraviolete provenite de la Soarele nostru pătrund pentru a provoca arsuri solare sau, în cazuri extreme de supraexpunere, cancer de piele la om. De asemenea, astronomia ultravioletă se face cel mai bine din spațiu.

Radiația electromagnetică cu lungimi de undă între aproximativ 400 și 700 nm este numită lumină vizibilă, deoarece acestea sunt undele pe care le poate percepe vederea umană. Aceasta este, de asemenea, banda din spectrul electromagnetic care ajunge cel mai ușor la suprafața Pământului. Aceste două observații nu sunt o coincidență: ochii umani au evoluat pentru a vedea cel mai bine tipurile de unde care sosesc de la Soare. Lumina vizibilă pătrunde eficient în atmosfera Pământului, cu excepția cazului în care este blocată temporar de nori.

Între lumina vizibilă și undele radio se află lungimile de undă ale radiației infraroșii sau ale radiației termice. Astronomul William Herschel a descoperit pentru prima dată infraroșul în 1800, în timp ce încerca să măsoare temperaturile diferitelor culori ale luminii solare răspândite într-un spectru. El a observat că, atunci când își poziționa din greșeală termometrul dincolo de culoarea cea mai roșie, acesta înregistra totuși o încălzire datorată unei energii invizibile provenite de la Soare. Acesta a fost primul indiciu cu privire la existența celorlalte benzi (invizibile) ale spectrului electromagnetic, deși va fi nevoie de multe decenii pentru ca înțelegerea noastră deplină să se dezvolte.

O lampă de căldură radiază în principal radiații infraroșii, iar terminațiile nervoase din pielea noastră sunt sensibile la această bandă a spectrului electromagnetic. Undele infraroșii sunt absorbite de moleculele de apă și dioxid de carbon, care sunt mai concentrate în zonele joase ale atmosferei terestre. Din acest motiv, astronomia în infraroșu se face cel mai bine de pe vârfuri înalte de munte, din avioane care zboară la mare înălțime și de pe nave spațiale.

După infraroșu urmează familiarul cuptor cu microunde, folosit în comunicațiile cu unde scurte și în cuptoarele cu microunde. (Lungimile de undă variază de la 1 milimetru la 1 metru și sunt absorbite de vaporii de apă, ceea ce le face eficiente în încălzirea alimentelor). Prefixul „micro” se referă la faptul că microundele sunt mici în comparație cu undele radio, următoarele din spectru. Poate vă amintiți că ceaiul – care este plin de apă – se încălzește rapid în cuptorul cu microunde, în timp ce o ceașcă de ceramică – din care apa a fost eliminată prin coacere – rămâne rece în comparație.

Toate undele electromagnetice mai lungi decât microundele sunt numite unde radio, dar aceasta este o categorie atât de largă încât, în general, o împărțim în mai multe subsecțiuni. Printre cele mai cunoscute dintre acestea se numără undele radar, care sunt folosite în pistoalele radar de către agenții de circulație pentru a determina viteza vehiculelor, și undele radio AM, care au fost primele dezvoltate pentru radiodifuziune. Lungimile de undă ale acestor diferite categorii variază de la peste un metru la sute de metri, iar alte radiații radio pot avea lungimi de undă de până la câțiva kilometri.

Cu o gamă atât de largă de lungimi de undă, nu toate undele radio interacționează cu atmosfera terestră în același mod. Undele FM și TV nu sunt absorbite și pot călători cu ușurință prin atmosfera noastră. Undele radio AM sunt absorbite sau reflectate de un strat al atmosferei Pământului numit ionosferă (ionosfera este un strat de particule încărcate în partea superioară a atmosferei noastre, produs de interacțiunile cu lumina solară și cu particulele încărcate care sunt ejectate de Soare).

Sperăm că această scurtă trecere în revistă v-a lăsat o impresie puternică: deși lumina vizibilă este ceea ce majoritatea oamenilor asociază cu astronomia, lumina pe care ochii noștri o pot vedea este doar o mică parte din gama largă de unde generate în univers. Astăzi, înțelegem că a judeca anumite fenomene astronomice folosind doar lumina pe care o putem vedea este ca și cum te-ai ascunde sub masă la o mare petrecere și ai judeca toți invitații doar după pantofii lor. Fiecare persoană este mult mai mult decât ne arată ochiul sub masă. Este foarte important ca cei care studiază astăzi astronomia să evite să fie „șovinii luminii vizibile” – să respecte doar informațiile văzute de ochii lor, ignorând informațiile culese de instrumentele sensibile la alte benzi ale spectrului electromagnetic.

Tabelul 1 rezumă benzile spectrului electromagnetic și indică temperaturile și obiectele astronomice tipice care emit fiecare tip de radiație electromagnetică. Deși la început, unele dintre tipurile de radiații enumerate în tabel pot părea necunoscute, veți ajunge să le cunoașteți mai bine pe măsură ce cursul de astronomie va continua. Puteți reveni la acest tabel pe măsură ce învățați mai multe despre tipurile de obiecte studiate de astronomi.

Radiație și temperatură

Câteva obiecte astronomice emit mai ales radiații în infraroșu, altele mai ales lumină vizibilă, iar altele mai ales radiații ultraviolete. Ce determină tipul de radiație electromagnetică emisă de Soare, de stele și de alte obiecte astronomice dense? Răspunsul se dovedește adesea a fi temperatura acestora.

La nivel microscopic, totul în natură este în mișcare. Un solid este compus din molecule și atomi în vibrație continuă: ei se mișcă înainte și înapoi pe loc, dar mișcarea lor este mult prea mică pentru ca ochii noștri să o distingă. Un gaz este alcătuit din atomi și/sau molecule care zboară liber și cu viteză mare, ciocnindu-se continuu unele de altele și bombardând materia din jur. Cu cât solidul sau gazul este mai fierbinte, cu atât mai rapidă este mișcarea moleculelor sau atomilor săi. Temperatura unui lucru este astfel o măsură a energiei medii de mișcare a particulelor care îl compun.

Această mișcare la nivel microscopic este responsabilă pentru o mare parte din radiația electromagnetică de pe Pământ și din univers. Pe măsură ce atomii și moleculele se deplasează și se ciocnesc sau vibrează pe loc, electronii lor emit radiații electromagnetice. Caracteristicile acestei radiații sunt determinate de temperatura acelor atomi și molecule. Într-un material fierbinte, de exemplu, particulele individuale vibrează pe loc sau se deplasează rapid în urma coliziunilor, astfel încât undele emise sunt, în medie, mai energetice. Și rețineți că undele cu energie mai mare au o frecvență mai mare. Într-un material foarte rece, particulele au mișcări atomice și moleculare cu energie scăzută și, astfel, generează unde cu energie mai mică.

Legi ale radiației

Pentru a înțelege, mai detaliat cantitativ, relația dintre temperatură și radiația electromagnetică, ne imaginăm un obiect idealizat numit corp negru. Un astfel de obiect (spre deosebire de puloverul tău sau de capul instructorului tău de astronomie) nu reflectă sau împrăștie nicio radiație, ci absoarbe toată energia electromagnetică care cade pe el. Energia absorbită face ca atomii și moleculele din el să vibreze sau să se deplaseze cu viteze din ce în ce mai mari. Pe măsură ce se încălzește, acest obiect va radia unde electromagnetice până când absorbția și radiația sunt în echilibru. Dorim să discutăm un astfel de obiect idealizat deoarece, după cum veți vedea, stelele se comportă aproape în același mod.

Radiația unui corp negru are mai multe caracteristici, așa cum este ilustrat în figura 3. Graficul arată puterea emisă la fiecare lungime de undă de obiecte de diferite temperaturi. În știință, cuvântul putere înseamnă energia care se degajă pe secundă (și se măsoară de obicei în wați, cu care sunteți probabil familiarizați de la cumpărarea becurilor).

Figura 3: Legile radiației ilustrate. Acest grafic arată, în unități arbitrare, câți fotoni sunt emiși la fiecare lungime de undă pentru obiecte aflate la patru temperaturi diferite. Lungimile de undă corespunzătoare luminii vizibile sunt reprezentate de benzile colorate. Rețineți că, la temperaturi mai ridicate, mai multă energie (sub formă de fotoni) este emisă la toate lungimile de undă. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât mai scurtă este lungimea de undă la care se radiază cantitatea maximă de energie (acest lucru este cunoscut sub numele de legea lui Wien).

În primul rând, observați că curbele arată că, la fiecare temperatură, obiectul nostru corp negru emite radiații (fotoni) la toate lungimile de undă (toate culorile). Acest lucru se datorează faptului că, în orice solid sau gaz mai dens, unele molecule sau atomi vibrează sau se deplasează între coliziuni mai încet decât media, iar altele se deplasează mai repede decât media. Prin urmare, atunci când ne uităm la undele electromagnetice emise, găsim o gamă largă, sau un spectru, de energii și lungimi de undă. Mai multă energie este emisă la rata medie de vibrație sau de mișcare (partea cea mai înaltă a fiecărei curbe), dar dacă avem un număr mare de atomi sau molecule, o parte din energie va fi detectată la fiecare lungime de undă.

În al doilea rând, rețineți că un obiect aflat la o temperatură mai ridicată emite mai multă energie la toate lungimile de undă decât unul mai rece. Într-un gaz fierbinte (curbele mai înalte din (figura 3), de exemplu, atomii au mai multe ciocniri și emit mai multă energie. În lumea reală a stelelor, acest lucru înseamnă că stelele mai fierbinți emit mai multă energie la toate lungimile de undă decât stelele mai reci.

În al treilea rând, graficul ne arată că, cu cât temperatura este mai mare, cu atât mai scurtă este lungimea de undă la care este emisă puterea maximă. Amintiți-vă că o lungime de undă mai scurtă înseamnă o frecvență și o energie mai mare. Este logic, deci, că obiectele fierbinți emit o fracțiune mai mare din energia lor la lungimi de undă mai scurte (energii mai mari) decât obiectele reci. Este posibil să fi observat exemple ale acestei reguli în viața de zi cu zi. Atunci când un arzător de pe o sobă electrică este pornit la foc mic, acesta emite doar căldură, care este radiație infraroșie, dar nu strălucește cu lumină vizibilă. Dacă arzătorul este setat la o temperatură mai ridicată, acesta începe să strălucească de un roșu stins. La o setare și mai mare, acesta strălucește un roșu portocaliu mai strălucitor (lungime de undă mai scurtă). La temperaturi și mai ridicate, care nu pot fi atinse cu sobe obișnuite, metalul poate apărea galben strălucitor sau chiar alb-albastru.

Potem folosi aceste idei pentru a elabora un fel de „termometru” aproximativ pentru măsurarea temperaturilor stelelor. Deoarece multe stele emit cea mai mare parte a energiei lor în lumină vizibilă, culoarea luminii care domină aspectul unei stele este un indicator aproximativ al temperaturii sale. Dacă o stea pare roșie și alta albastră, care dintre ele are o temperatură mai ridicată? Deoarece albastrul este culoarea cu lungimea de undă mai scurtă, este semnul unei stele mai fierbinți. (Rețineți că temperaturile pe care le asociem cu diferite culori în știință nu sunt aceleași cu cele pe care le folosesc artiștii. În artă, roșul este adesea numit o culoare „fierbinte”, iar albastrul o culoare „rece”. De asemenea, vedem în mod obișnuit culoarea roșie pe comenzile robinetelor sau ale aerului condiționat pentru a indica temperaturi calde și albastru pentru a indica temperaturi reci. Deși acestea sunt utilizări comune pentru noi în viața de zi cu zi, în natură, este invers.)

Potem dezvolta un termometru stelar mai precis prin măsurarea cantității de energie pe care o emite o stea la fiecare lungime de undă și prin construirea unor diagrame precum Figura 3. Locația vârfului (sau a maximului) din curba de energie a fiecărei stele ne poate indica temperatura acesteia. Temperatura medie la suprafața Soarelui, care este locul de unde este emisă radiația pe care o vedem, se dovedește a fi de 5800 K. (În tot acest text, folosim scara de temperatură kelvin sau absolută. Pe această scală, apa îngheață la 273 K și fierbe la 373 K. Toate mișcările moleculare încetează la 0 K. Diferitele scări de temperatură sunt descrise în Unități utilizate în știință). Există stele mai reci decât Soarele și stele mai fierbinți decât Soarele.

Lungimea de undă la care este emisă puterea maximă poate fi calculată conform ecuației

\displaystyle{\lambda}_{\text{max}}=\frac{3\times {10}^{6}}{T}

unde lungimea de undă este în nanometri (o miliardime de metru) și temperatura este în K. Această relație se numește legea lui Wien. În cazul Soarelui, lungimea de undă la care este emisă energia maximă este de 520 nanometri, care se află aproape de mijlocul acelei porțiuni a spectrului electromagnetic numită lumină vizibilă. Temperaturile caracteristice ale altor obiecte astronomice și lungimile de undă la care acestea emit cea mai mare parte a energiei lor sunt enumerate în tabelul 1.

Din moment ce această stea are o lungime de undă maximă care se află la o lungime de undă mai mică (în partea ultravioletă a spectrului) decât cea a Soarelui nostru (în partea vizibilă a spectrului), nu ar trebui să fie o surpriză faptul că temperatura suprafeței sale este mult mai caldă decât cea a Soarelui nostru.

De asemenea, putem descrie observația noastră conform căreia obiectele mai fierbinți radiază mai multă energie la toate lungimile de undă într-o formă matematică. Dacă însumăm contribuțiile din toate părțile spectrului electromagnetic, obținem energia totală emisă de un corp negru. Ceea ce măsurăm de obicei la un obiect mare, cum ar fi o stea, este fluxul de energie, adică puterea emisă pe metru pătrat. Cuvântul flux înseamnă aici „flux”: suntem interesați de fluxul de energie într-o zonă (cum ar fi suprafața oglinzii unui telescop). Se pare că fluxul de energie de la un corp negru la temperatura T este proporțional cu puterea a patra a temperaturii sale absolute. Această relație este cunoscută sub numele de legea Stefan-Boltzmann și poate fi scrisă sub forma unei ecuații ca

F=\sigma{T}^{4}

unde F reprezintă fluxul de energie și σ (litera greacă sigma) este un număr constant (5,67 × 108).

Observați cât de impresionant este acest rezultat. Creșterea temperaturii unei stele ar avea un efect extraordinar asupra energiei pe care aceasta o radiază. Dacă Soarele, de exemplu, ar fi de două ori mai fierbinte – adică dacă ar avea o temperatură de 11.600 K – ar radia de 24, sau de 16 ori mai multă energie decât radiază acum. Triplarea temperaturii ar crește puterea emisă de 81 de ori. Stelele fierbinți radiază într-adevăr o cantitate imensă de energie.

Glosar

corp negru: un obiect idealizat care absoarbe toată energia electromagnetică ce cade pe el

spectrul electromagnetic: întreaga gamă sau familie de unde electromagnetice, de la razele radio până la razele gama

fluxul de energie: cantitatea de energie care trece printr-o unitate de suprafață (de exemplu, 1 metru pătrat) pe secundă; unitățile de măsură ale fluxului sunt wați pe metru pătrat

raze gamma: fotoni (de radiație electromagnetică) de energie cu lungimi de undă nu mai mari de 0.01 nanometru; cea mai energetică formă de radiație electromagnetică

infraroșu: radiație electromagnetică cu lungimea de undă de 103-106 nanometri; mai lungă decât cele mai lungi lungimi de undă (roșu) care pot fi percepute de ochi, dar mai scurtă decât lungimile de undă radio

microunde: radiație electromagnetică cu lungimi de undă cuprinse între 1 milimetru și 1 metru; mai lungă decât infraroșul, dar mai scurtă decât undele radio

unde radio: toate undele electromagnetice mai lungi decât microundele, inclusiv undele radar și undele radio AM

Legea lui Stefan-Boltzmann: o formulă din care se poate calcula rata cu care un corp negru radiază energie; rata totală de emisie de energie de pe o unitate de suprafață a unui corp negru este proporțională cu puterea a patra a temperaturii sale absolute: F = σT4

ultraviolet: radiație electromagnetică cu lungimi de undă cuprinse între 10 și 400 nanometri; mai scurtă decât cele mai scurte lungimi de undă vizibile

lumină vizibilă: radiație electromagnetică cu lungimi de undă de aproximativ 400-700 nanometri; vizibilă pentru ochiul uman

Legea lui Wien: formula care leagă temperatura unui corp negru de lungimea de undă la care acesta emite cea mai mare intensitate a radiației

Raze X: radiații electromagnetice cu lungimi de undă cuprinse între 0.01 nanometru și 20 nanometri; intermediare între cele ale radiațiilor ultraviolete și cele ale razelor gama

>.