Author(s): Claudia Mignone, Rebecca Barnes
Fordította: Adorjánné Farkas Magdolnaés. Claudia Mignone és Rebecca Barnes végigvezet minket az elektromágneses spektrumon és bemutatja nekünk az Európai Űrügynökség (European Space Agency, ESA) természettudományos küldetéseihez használt űrflottáját, és ezzel feltárja a…
A körülötünk lévő világot az érzékszerveink segítségével ismerjük meg. A látásunknak ebben főszerep jut, ugyanis a fény rengeteg információt hordoz arról a tárgyról, amelyik kibocsátja és arról is, amelyik visszaveri vagy elnyeli. Az állatok nagy részéhez hasonlóan, az ember látása is úgy működik, hogy összegyűjti a fényjeleket, majd továbbítja azokat az agyba. Az elektromágneses sugárzásnak azonban csak nagyon kis tartományát tudjuk érzékelni, ezt nevezzük ‘látható’ fénynek, a többi tartományban vakok vagyunk.
Valóban azok vagyunk? A 19. század folyamán a tudósok felfedezték és láthatóvá tették a spektrum néhány további tartományát: az ultraibolya (UV), az infravörös (IR), a röntgen-, és a gammasugárzást, a rádió és a mikrohullámokat. Hamarosan kiderült, hogy a látható fény és az újonnan felfedezett sugárzások ugyanannak a fizikai jelenségnek a megnyilvánulásai: az elektromágneses (EM) sugárzásnak. (Ld.: 1. ábrát).
A különböző EM sugárzásokat az energiájuk alapján különböztetjük meg: a gammasugárzásnak van a legnagyobb energiája, ezt követi a röntgensugárzás, az UV sugárzás, a látható fény, majd az IR sugárzás. Az IR sugárzásnál nagyobb hullámhosszúságú sugárzást rádióhullámoknak nevezik. A rádióhullámokat tovább osztályozzák, ezek a következők: mm alatti, mikrohullámok és nagyobb hullámhosszúságú rádióhullámok. Az EM sugárzás olyan hullám, amely a légüres térben is terjed. Az energiája (E) a frekvenciájától (f) függ: E = hf, ahol a h a Planck-állandó, amelyet Max Planck, német fizikus tiszteletére neveztek el. A hullámhossz (λ) és a frekvencia közötti összefüggést az fλ = c képlet adja meg, ahol a c a vákuumban mért fénysebesség. Ennek az összefüggésnek alapján az EM sugárzást nemcsak az energiával, hanem a frekvenciával vagy a hullámhosszal is jellemezhetjük.
Az eltérő energiájú (vagy frekvenciájú, vagy hullámhosszúságú) sugárzások különböző fizikai folyamatok során keletkeznek és különböző módon lehet azokat detektálni – ezzel függ össze az is, hogy például az UV sugárzást és a rádióhullámokat a mindennapi élet különböző területein alkalmazzák.
A 19. század vége felé a tudósok rájöttek arra, hogyan lehet felfogni a világűrből érkező sugárzásokat és így ‘látni’ az égi objektumokat, például a csillagokat és a galaxisokat, a látható fény tartományán kívül eső hullámhosszakon is. Először is le kellett küzdeni azt az akadályt, amelyet a Föld atmoszférája jelent.
A légkör természetesen átlátszó a látható fény tartományban – ezért fejlődött ki a legtöbb állatnak olyan látószerve, amely a spektrumnak ezt a tartományát képes érzékelni.
Azonban az EM spektrumnak csak nagyon kis része tud áthatolni a vastag földi légkörön (2. ábra).
- A nagy energiájú gamma- és röntgensugárzást, amelyeknek a hullámhossza ugyanakkora vagy kisebb, mint az atomok átmérője, a légkör felső rétegeiben lévő oxigén és nitrogén-atomok elnyelik. Ez védi meg a földi életet a halálos sugárzásoktól, azonban a csillagászok számára nehézzé teszi az észlelést.
- A légkör felső rétegeiben és a sztratoszférában lévő oxigén és ózon az UV sugárzás nagy részét elnyeli. Mivel az UV sugárzás egy kis része eléri a földfelszínt, egyes állatok szeme úgy fejlődött ki, hogy képessé vált arra, hogy érzékeljew1 azt.
- A rövidebb hullámhosszú IR sugárzás át tud hatolni a légkörön, azonban ha a hullámhossza eléri az egy mikrométert, az IR sugárzást a vízgőz és a légkörben található egyéb molekulák elnyelik.
- Ugyanez történik azokkal a rádióhullámokkal is, amelyek hullámhossza néhány száz mikrométer és egy milliméter között van és a mikrohullámokkal. Ezeket magas és száraz éghajlatú hegyeken felállított (Mignone & Pierce-Price, 2010), vagy ballonnal magasra juttatott, illetve űrjárműveken elhelyezett műszerekkel lehet észlelni.
- Az atmoszféra a közepes hullámhosszú rádióhullámok számára átlátszó, így ezeket könnyen meg lehet figyelni a Földről. A tíz méternél nagyobb hullámhosszúságú rádióhullámokat azonban elnyeli a légkör.
A légkör nem csupán a korlátozott áteresztőképessége miatt zavarja a csillagászokat, hanem az áramlások miatt is, ezért az észlelés minősége azoknál a sugárzásoknál is romlik, amelyek áthatolnak a légkörön, például a látható fény tartományban. Annak érdekében, hogy kiküszöböljék ezt a problémát, a 20. század második felétől, az űrkorszak kezdete után a csillagászok a légkör fölé, az űrbe juttatják a távcsöveiket. Ez ugyanolyan forradalmi változást hozott a csillagászatban, mint amilyet 400 évvel ezelőtt az első teleszkóp alkalmazása.
Mivel a különböző fizikai folyamatok során eltérő hullámhosszúságú sugárzások jönnek létre, a kozmikus sugárforrások az EM spektrum egy vagy több tartományában világítanak. A Földön és a világűrben működő távcsövek felhasználásával a csillagászok ugyanazt az objektumot különböző hullámhossz tartományokban képesek megfigyelni, így feltárnak olyan részleteket is, amelyek korábban rejtve maradtak. Megkapó képek születnek így az Univerzumról (3. és 4. kép). Az IR tartományban elvégzett megfigyelések például láthatóvá teszik a csillagközi gáznak és pornak a keverékét, amelyből az új csillagok születnek. A gamma- és a röntgensugarak észlelése pedig lehetővé teszi, hogy a csillagászok megfigyelhessék az Univerzum leghevesebb jelenségeit: azt, amikor a feketelyuk anyagot nyel el vagy a szupernova robbanást.
A kozmosz kutatása az EM spektrumon keresztül az egyik tudományos célja az Európai Űrügynökségnek (European Space Agency, ESA; ld. a keretes írást)w2, amelynek jelenleg öt űrmissziója van (ld. az 5. ábrát). Ezek a növekvő energiák sorrendjében: Planck (milliméter alatti és mikrohullámok), Herschel (IR), Hubble Space Telescope (látható, az IR egy része és UV), XMM-Newton (röntgensugár), és INTEGRAL (gamma- és röntgensugár)w3.
A jövőben a Science in School-ban olyan cikkeket közlünk, amelyekben részletesebben vizsgáljuk az EM spektrumot az ESA régebbi és jelenlegi űrteleszkópjai segítségével. Ezek a kutatások átalakítják az Univerzumról eddig kialakított képünket.
References
Web References
- w1 – Az emberektől eltérően, néhány állat képes arra, hogy érzékelje az UV sugárzást.
- w2 – További információkat találhat az ESA-ról, ld.: www.esa.int
- w3 – Az Androméda-galaxis csodálatos, eddig ismeretlen ‘színeit’ a különböző ESA missziók a teljes EM spektrum vizsgálatával tárták fel. Ld.: www.esa.int/export/esaSC/SEM5IUYGRMG_index_0.html
- w4 – Az ESO a világ legtöbb kutatást végző csillagászati obszervatóriuma, amelynek a vezetősége Németországban, München-hez közel, Garchingban működik, a távcsövek pedig Chilében találhatók. Ha többet akar megtudni az ESO-ról, a VLT-ről, az ALMA-ról és más ESO berendezésekről, nézze meg a következő oldalt: www.eso.org
- w5 – Többet megtudhat az EIROforum-ról, ld: www.eiroforum.org
Resources
- The Science@ESA vodcastjai megmutatják a Világmindenséget az ESA felvételeinek felhasználásával. Az 1.epizód (‘The full spectrum’ A teljes spektrum) arról szól, hogy miért szükséges távcsöveket küldenünk az űrbe, és mit mondanak nekünk ezek az eszközök az Univerzumról: http://sci.esa.int/vodcast
- Többet megtudhat a Föld légköréről, az ózonréteg szerepéről, és elvékonyodásáról, ld.:
- Nézze meg Alessio Bernadelli blogját, amiből megtudhatja, hogy ő úgy teszi vonzóvá a tanítványai számára az EM spektrumról szerezhető ismereteket, hogy arra bíztatja őket, hogy a témáról készítsenek TV show-t. (http://alessiobernardelli.wordpress.com) vagy használja a közvetlen kapcsolatot: http://tinyurl.com/42ow4a9
- Megtudhatja, hogy hogyan függ az égitest által kibocsátott sugárzás hullámhossza az objektum hőmérsékletétől, ld.: http://sci.esa.int/jump.cfm?oid=48986
- Az ESA sokféle ingyen elérhető oktatási anyagot biztosít, amelyeket a tanárok a tanítási órákon használhatnak: nyomtatott anyagokat, DVD-ket, videofilmeket, oktató-készleteket és weboldalakat. A teljes lista megtekinthető: www.esa.int/educationmaterials
- Az ESA minden oktatási tevékenységéről szóló információt megtalálhatja: www.esa.int/education
Institutions
Author(s)
Claudia Mignone, a Vitrociset Belgium for ESA – European Space Agency munkatársa, az ESA tudományos írója. Csillagászatból szerzett diplomát (University of Bologna, Olaszország) és kozmológiából PhD-t (University of Heidelberg, Németország). Mielőtt az ESA munkatársa lett, az ESO lakossági tájékoztatási hivatalában dolgozott.
Rebecca Barnes, a HE Space Operations for ESA – European Space Agency munkatársa, az ESA Science and Robotic Exploration Directorate oktatási hivatalnoka. Fizikából és asztrofizikából szerzett diplomát (University of Leicester, UK). Előzőleg a UK’s National Space Centre oktatási és kommunikációs részlegében dolgozott. Ha többet szeretne megtudni az ESA Science and Robotic Exploration Directorate tevékenységéről, lépjen kapcsolatba az intézménnyel: Rebecca at SciEdu@esa.int
Review
Ebből a cikkből az olvasók az elektromágneses sugárzás eddig kevéssé emlegetett alkalmazásait ismerhetik meg. A cikk segítségével a tanárok felkelthetik a diákok figyelmét az elektromágneses sugárzás iránt és motiválhatják őket arra, hogy erről a csodálatos témáról további ismereteket szerezzenek.
Az ESA vodcastjai, amelyek az ajánlott irodalmak között megtalálhatók, kiváló anyagot biztosítanak ahhoz, hogy a tanulók megismerhessék az EM sugárzást. A tanárok is előjegyezhetik ezeket a vodcastokat.
A tanulóknak feltehető ellenőrző és a tudást kibővítő kérdések:
- Milyen hullámtípusba tartoznak az elektromágneses hullámok? Transzverzális vagy longitudinális?
- Mondjon példát olyan elektromágneses sugárzásra, amelyiknek nagyobb illetve kisebb a frekvenciája, mint a látható fénynek!
- Ismertesse a látható fény és a rádióhullámok néhány technikai alkalmazását!
- Mit gondol, vajon a légszennyezés hatással lehet-e arra, hogy mennyi sugárzást detektálnak? Indokolja a választ!
- Nevezzen meg egy olyan egészségkárosító hatást, amelyet a csökkent mennyiségű ózont tartalmazó felsőlégkörön keresztülhatoló UV sugárzás okoz.
- Mi a legfőbb tényező, amely csökkenti a földi távcsövek alkalmazhatóságát?
Az űrtávcsövek említésekor főként a NASA jut az eszünkbe. Ez a cikk azonban világossá teszi, hogy Európa is aktívan tanulmányozza az eget – ez a tény az Európában élő diákokhoz közelebb hozza ezt a témát, és a természettudományt.
License