Više no što vidimo očima: elektromagnetni spektar Understand article

Prevoditelj Rajka Jurdana Šepić, Odjel za fiziku, Sveučilište u Rijeci. Claudia Mignone i Rebecca Barnes vode nas na putovanje kroz elektromagnetni spektar i uvode u flotu znanstvenih misija Europske svemirske agencije (ESA) koje nam otvaraju oči za proučavanje tajnovita i skrivena…

Korištenje slike dopustio/la
ESA

O svijetu oko nas učimo pomoću osjetila. Naše oči tu igraju glavnu ulogu zato što svjetlost nosi velik dio informacija o svojem izvoru, o predmetima od kojih se odbija ili koji svjetlost upijaju. Poput većine životinja čovjek ima vidni sustav koji sakuplja svjetlosne informacije i dostavlja ih mozgu. Naše oči, međutim, nisu samo osjetljive na samo vrlo malen djelić spektra svjetlosti, nego smo praktički slijepi za sve druge dijelove spektra osim onih koje nazivamo “vidljivom” svjetlošću.

A jesmo li doista? Tijekom 19. stoljeća znanstvenici su otkrili i vizualizirali više različitih vrsta prije nevidljive svjetlosti: ultraljubičasto (UV) i infracrveno (IR) zračenje, X-zračenje i gama zračenje, radiovalno i mikrovalno zračenje. Ubrzo je postalo očito da su vidljiva svjetlost i novootkrivene vrste svjetlosti očitovanje jedne te iste pojave: elektromagnetnog (EM) zračenja (vidi sliku 1).

Slika 1: Shema elektromagnetnog spektra s oznakama valnih duljina, frekvencija i energija
Korištenje slike dopustio/la ESA / AOES Medialab

Različiti se tipovi EM zračenja razlikuju po energijama: gama zračenje ima najveću energiju, slijedi X zračenje, UV, vidljiva pa IR svjetlost. Vrste EM zračenja valnih duljina većih od IR svjetlosti klasificiraju se u radiovalno zračenje. Ono je podijeljeno u sub-milimetarske valove, mikrovalove i dugovalne radiovalove. EM zračenje se propagira kao val koji se širi vakuumom. Energija (E) vala je s njegovom frekvencijom (f) povezana relacijom: E = hf, gdje je h Planckova konstatnta, nazvana po njemačkom fizičaru Maxu Plancku. Relacija veze između frekvencije i valne duljine (λ) EM zračenja dana je umnoškom fλ = c, gdje je c brzina svjetlosti u vakuumu. Te dvije relacije omogućuju opis EM zračenja ne samo njegovom energijom, nego i frekvencijom ili pak valnom duljinom.

Zračenje različitih energija (ili frekvencija ili valnih duljina) nastaje od različitih fizičkih procesa i može se detektirati na različite načine. To je razlog, da npr. UV svjetlost i radio valovi imaju različitu primjenu u svakodnevnom životu.

Slika 2: EM spektar i neprozirnost atmosfere za zračenje (opacitet) a) gama zračenje, X zračenje i UV svjetlost zaustavlja gornja atmosfera (najbolje vidljivo iz svemira). b) vidljiva svjetlost se može opažati sa Zemlje uz poneka iskrivljenja koja potječu od atmosfere. c) atmosfera apsorbira većinu zračenja IR dijela spektra (koje se zato najbolje može opažati iz svemira). d) sub-milimentarsko i mikrovalno zračenje mogu se opažati sa Zemlje, ali s velikih visina i mjesta vrlo suhe klime. e) radiovalno zračenje srednjih valnih duljina može se lako opažati sa Zemlje, ali atmosfera upija valne duljine iznad 10 m
Korištenje slike dopustio/la ESA / Hubble / F Granato
Korištenje slike dopustio/la
ESA

Krajem 19. stoljeća znanstvenici su počeli istraživati kako “uhvatiti” zračenje iz svemira i da bi se moglo “vidjeti” astronomske objekte poput zvijezda i galaksija u valnim duljinama izvan područja vidljive svjetlosti. Prije toga su, međutim, trebali nadići barijeru Zemljine atmosfere.

Atmosfera je, naravno, prozirna za vidljivu svjetlost, što i jest razlog da su se oči mnogih životinja razvile tako da su najosjetljivije upravo u tom području spektra.

Međutim, vrlo malo od ostatka EM spektra može probiti debele slojeve naše atmosfere (slika 2).

Korištenje slike dopustio/la
ESA
  • U gornjim slojevima atmosfere atomi kisika i dušika upijaju visokoenergetko gama i X zračenje valnih duljina reda veličine atoma i manjih. Time život na Zemlji štite od smtronosnog zračenja, ali astronomima otežavaju njegovo detektiranje.
  • Kisik i ozon u gornjoj atmosferi i stratosferi apsorbiraju i većinu UV zračenja, ali ne i svo. Iskorištavajući ono UV zračenje koje dopire do Zemlje, neke životinje su razvile oči koje ga mogu detektiratiw1.
  • Kraće se valne duljine IR zračenja mogu probiti u atmosferu, no vodena para i druge molekule atmosfere.upijaju mikrometarske valne duljine IR zračenja.
  • Isto se događa u sub-milimetarskom radiovalnom i mikrovalnom području s valnim duljinama od par stotina mikrometara do oko 1 milimetra. To se zračenje može opažati s opservatorija na površini Zemlje smještenih u područjima velikih visina i osobito suhe klime (kao što opisuju Mignone & Pierce-Price, 2010), ili pokusima s balonima i svemirskim pokusima.
  • Atmosfera je prozirna za srednje valne duljine radiovalova koje se zato lako može opažati s površine Zemlje, no ona zaustavlja prolaz radio valova valnih duljina većih od deset metara.

Više o ESA

Europska svemirska agencija (ESA)w2 e evropski izlaz u svemir, institucija je to koja organizira programe istraživanja Zemlje, njezina neposredna svemirskog okoliša, Sunčeva sustava i svemira, surađuje u istraživanju svemira, razvoju satelitskih svemirskih tehnologija i usluga te promovira europsku industriju.

Uprava za znanstvena istraživanja i istraživanja robotike (Directorate of Science and Robotic Exploration) posvećena je ESA- inim programima za znanost o svemiru i istraživanjima Sunčeva sustava metodama robotike. U potrazi za odgovorima na pitanja razumijevanja svemira, zvijezda i planeta te samog porijekla života ESA sateliti zaviruju u dubine svemira i motre najudaljene galaksije, istražuju Sunce do jedinstvenih detalja i istražuju naše planetno susjedstvo.

ESA je član EIRO forumaw5, izdavača Science in School.


 

Neprozirnost atmosfere za zračenje ili opacitet nije jedini izazov koji se postavlja pred astronome; i tubulencija atmosfere također utječe na kvalitetu astronomskih opažanja čak i na valnim duljinama poput vidljive svjetlosti koje stižu do Zemljine površine. Suočeni s tim problemima u drugoj polovini 20. stoljeća u eri svemirskih letova, astronomi su započeli lansiranje teleskopa izvan atmosfere, u svemir. Revolucija koju je to pokrenulo u astronomiji usporediva je s izumom prvog teleskopa prije 400 godina.

Slika 3: Andromedina galaksija, Mliječnom putu najbliža veća galaksija, viđena u različitim valnim duljinama. Opažanja u vidljivoj svjetlosti teleskopima sa Zemlje pokazuju nekoliko stotina milijardi zvijezda ove galaksije. Opažanja teleskopom Herschel space observatory u infracrvenom području otkrivaju mješavinu (uglavnom) plina i prašine iz koje se rađaju nove zvijezde. Opažanja u X području spektra teleskopom XMM-Newton space observatory pokazuju sjaj kojeg emitiraju zvijezde na kraju svojeg životnog ciklusa ili ostaci već umrlih zvijezda
Slike ljubaznošću Robert Gendler (vidljiva svjetlost); ESA / Herschel / PACS / SPIRE / J Fritz, U Gent (infracrveno); ESA / XMM-Newton / EPIC / W Pietsch, MPE (X-zračenje)

Budući da različiti fizički procesi emitiraju zračenje na različitim valnim duljinama, svemirski izvori zrače u jednom ili više područja EM spektra. Koristeći, dakle, teleskope na Zemlji i one u orbiti, astronomi danas mogu kombinirati opažanja duž čitava spektra, čime se dobiva prethodno nepoznata i iznimno fascinantna slika svemira (Slika 3 i Slika 4). Opažanja u IR području npr. ukazuju na, drugim metodama, nevidljive mješavine prašine i plina koji ispunjavaju međuzvjezdani prostor i iz kojih se rađaju nove zvijezde. Detektirajući gama i X-zračenje, astronomi mogu opažati energetski najizdašnije svemirske pojave poput proždiranja materije u crnim rupama i eksplozija supernovi.

Slika 4: Orionova maglica – ikonička svemirska rađaonica vidljiva u različitim valnim duljinama. Plavo su uokvireni detalji zviježđa Orion te narančastim još veći detalji. Ovo područje u kojem se rađa tisuće zvijezda izgleda vrlo različito u različitim područjima EM spektra. Opažanjem u vidljivoj svjetlosti teleskopima sa Zemlje vide se najčešće zvijezde, dok opažanja na većim valnim duljinama (blisko i srednje infracrveno, (sub)milimetarsko i mikrovalno područje) otkrivaju složenu mješavinu hladnog plina i prašine iz koje se rađaju zvijezde. Nasuprot tome, opažanja u X području pokazuju ekstremno vrući plin kojeg izbacuju mlade masivne zvijezde
Ljubaznošću ESA / AOES Medialab (cjelokupna kompozicija); Kosmas Gazeas (vidljiva svjetlost velika slika); STScI-DSS (vidljiva svjetlost, mala slika); ESA, LFI & HFI Consortia (mikrovalno i (sub)milimetarsko područje); AAAS / Science, ESA XMM-Newton i NASA Spitzer data (srednje-infracrveno i X područje); NASA, ESA, M Robberto (Space Telescope Science Institute / ESA) i the Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team (vidljivo i blisko infracrveno područje)

Gledanje u nebo: astronomija teleskopima sa Zemlje

Osim svemirskih teleskopa ESA-e postoje i teleskopi Europskog južnog opservatorija (ESO)w4. Da bi se minimizirao utjecaj Zemljine atmosfere na astronomska opažanja ESO teleskopi postavljeni su na sjeveru Čilea, na jednoj od najpodesnijih lokacija južne hemisfere za astronomska promatranja koja je smještena na velikoj nadmorskoj visini i u području suhe atmosfere.

Kao i ESA, i ESO obavlja opažanja u različitim dijelovima EM spektra. ESO-v Very Large Telescope (VLT ) je najnapredniji svjetski teleskop za vidljivo i infracrveno područje. Sastoji se od teleskopa dijametra 8,2 m i četiriju manjih teleskopa koji zajedno mogu djelovati kao tzv. interferometar te tako omogućiti opažanja još većih detalja. ALMA, koja se još uvijek gradi u pustinji Atacama je najveće astronomsko postrojenje na površini Zemlje. Rezultat je suradnje ESO i međunarodnih partnera i detektirati će zračenje milimetarskog i sub-milimetarskog područja, omogućujući astronomima opažanje nekih od najhladnijih i najudaljenijih objekata u svemiru puno boljim razlučivanjem i osjetljivošću nego što je to moguće danas (Mignone & Pierce-Price, 2010).

ESO je član EIRO forumaw5, izdavača Science in School.


 

Istraživanje svemira u čitavom EM spektru je jedan od znanstvenih ciljeva Europske svemirske agencije (ESA, vidi okvir)w2, koja trenutno ima 5 pokrenutih misija iz područja astronomije (vidi Sliku 5). Redosljedom rastuće energije to su: Planck (sub-milimetarsko i mikrovalno područje), Herschel (IR), Hubble Space Telescope (vidljivo, IR i UV područje), XMM-Newton (X-zračenje) i INTEGRAL (gama i X-zračenje)w3.

Slika 5: Tekuća i buduća flota ESA-inih misija za istraživanje svemira u čitavom EM spektru. S lijeva na desno: radio valovi, mikrovalovi, sub-mm zračenje, infracrveno, vidljiva svjetlost, ultraljubičasto, X-zračenje i gama zračenje
Slika, ljubaznošću ESA

U idućim člancima u Science in School istraživat ćemo EM spektar detaljnije uz pomoć prošle i sadašnje flote ESA i predstaviti svemirske teleskope koji su doprinijeli preoblikovanju našeg razumijevanja svemira.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

  • Science@ESA vidcasti (video podcasti) istražuju svemir očima ESA-ine flote znanstvenih letjelica. Epizoda 1 (“Cijeli spektar”) ispituje zašto moramo slati telescope u svemir i što nam oni mogu reći o svemiru. Više na: http://sci.esa.int/vodcast
  • Više o Zemljnoj atmosferi, ulozi i gubitku ozona pogledajte na:
  • Kako je nastavnik fizike Alessio Bernadelli motivirao učenike za temu EM spektra uključivši ih u produkciju njihove vlastite TV emisije o toj temi, pogledajte na Alessiovom blogu (http://alessiobernardelli.wordpress.com) ili koristite izravni link: http://tinyurl.com/42ow4a9
  • Kako je temperatura nebeskog objekta povezana s valnom duljinom EM zračenja na kojoj taj objekt emitira najviše svjetlosti pogledajte na: http://sci.esa.int/jump.cfm?oid=48986
  • Kako bi nastavnicima pružila podršku u poučavanju ESA je proizvela mnoge edukacijske materijale koji su slobodni za korištenje; tiskane materijale, DVD i online video snimke, nastavna sredstva i mrežne stranice. Popis je na: www.esa.int/educationmaterials
  • Više o ESA edukacijskim aktivnostima pronađite na: www.esa.int/education

Institution

ESA, ESO

Author(s)

Claudia Mignone iz Vitrociset Belgija u ESA – Europskoj svemirskoj agenciji, je autorica znanstvenih članaka za ESA-u. Diplomirala je astronomiju na Sveučilištu u Bolonji, u Italiji a doktorirala kozmologiju na Sveučilištu Heidelberg u Njemačkoj. Prije rada u ESA-i radila je u uredu za odnose s javnošću Europskog južnog opservatorija (ESO).

Rebecca Barnes iz HE Space Operations u ESA – Europskoj svemirskoj agenciji, je zaposlena u edukacijskom odjelu ESA-ine Uprave za znanstvena istraživanja i istraživanja robotike. Diplomirala je fiziku s astrofizikom na Sveučilištu Leicester, UK, a prije toga radila u odjelima za edukaciju i komunikacije o svemiru britanskog Nacionalnog svemirskog centra (National Space Centre). Za više informacija o edukacijskim aktivnostima ESA-ine Uprave za znanstvena istraživanja i istraživanja robotike obratite se na SciEdu@esa.int


Review

Ovaj članak upoznaje čitatelja s primjenama elektromagnetnog spektra koje se obično ne dotiču pri rješavanju ove teme. Također, nastavnicima pruža mogućnosti za uključivanje učenika i za njihovo motiviranje u daljnjem izučavanju ove fascinantne teme.

ESA vidcasti (video podcasti) spomenuti u poglavlju o resursima su izvrstan materijal za uključivanje učenika u temu EM zračenja. Nastavnici se mogu i prijaviti za dobivanje najnovijih vidcasta.

Moguća pitanja za razumijevanje i proširenje su:

  1. Koje su vrste valovi elektromagnetnog zračenja? Transverzalni ili longitudinalni?
  2. Navedi primjer elektromagnetnih valova više i niže frekvencije od vidljive svjetlosti.
  3. Opiši neke tehnološke primjene svjetlosti i radio valova.
  4. Misliš li da zagađenje utječe na količinu detektoranog zračenja? Navedi razloge za svoj odgovor.
  5. Navedi jedan štetan učinak UV svjetlosti koju ne bi apsorbirao sloj ozona u gornjoj atmosferi Zemlje?
  6. Koja je glavna prepreka učinkovitom korištenju terestričkih teleskopa?

Lansiranje astronomskih teleskopa najčešće povezujemo s agencijom NASA. Ovaj članak pojašnjava da i Europa aktivno istražuje svemir – što bi trebalo približiti ovu temu i znanost općenito europskim učenicima.


Angela Charles, Malta




License

CC-BY-NC-ND