Ami szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum Understand article

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 képet ESA szíves
hozzájárulásával közöljük

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).

1. ábra: Az EM spektrum a hullámhosszak, a frekvenciák és az energiák megjelölésével
A képet ESA / AOES Medialab szíves hozzájárulásával közöljük

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.

2. ábra: Az EM spektrum és a légkör átlátszósága. a) A gamma-, a röntgen- és az UV sugarakat a légkör fölső rétegei kiszűrik (ezért ezek főként csak az űrből észlelhetők). b) A látható fényt meg lehet figyelni a Földről, bár a légkör okoz egy kis torzulást. c) Az IR sugárzás nagy részét elnyeli az atmoszféra (ezért az űrből tanulmányozható a legjobban). d) A milliméternél kisebb hullámhosszságú és a mikrosugárzást meg lehet figyelni a földfelszínről, főként magas és száraz éghajlatú hegyekről. A rádióhullámok közül a középhullámú tartományba esőket lehet észlelni a földfelszínről, de a 10 m-nél nagyobb hullámhosszúakat elnyeli a légkör
A képet ESA / Hubble / F Granato szíves hozzájárulásával közöljük
A képet ESA szíves
hozzájárulásával közöljük

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 képet ESA szíves
hozzájárulásával közöljük
  • 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.

Információk az ESA-ról

A European Space Agency (ESA, Európai Űrügynökség)w2 biztosítja Európa számára az űrbe vezető utat, olyan kutatási programokat szervez, amelyek segítségével jobban megismerhetjük a Földet, a közvetlen környezetünket, a Naprendszert és az Univerzumot. A Földön túli világ megismerése érdekében közreműködik a műholdak fejlesztésében és működtetésében és támogatja az európai űripart.

A Directorate of Science and Robotic Exploration elkötelezett az ESA űrprogramjával és a Naprendszer robotokkal történő kutatásával kapcsolatban. Annak érdekében, hogy minél többet megtudjunk az Univerzumról, a csillagokról, a bolygókról és az élet keletkezéséről, az ESA űrkutatói az Univerzum mélyét, a legtávolabbi galaxisokat kémlelik, a naptevékenység eddig ismeretlen részleteit és a bolygószomszédainkat tanulmányozzák.

Az ESA tagja az EIROforumw5-nak, amely kiadja a Science in School-t.


 

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.

3. ábra: Az Androméda-galaxist, a Tejúthoz legközelebb található galaxis képét mutatja különböző hullámhosszaknál. A földi távcsővel a látható fény tartományban készített felvételen látszik az a néhány százmilliárd csillag, amely felépíti a galaxist. A Herschel űrtávcsővel a távoli infravörös tartományban készített felvétel feltárja azt a (főként) gázokból és porból álló keveréket, amelyből az új csillagok születnek. Az XMM-Newton űrtávcső röntgensugárzást érzékel, így ezeken a felvételeken az életciklusuk végén járó csillagok és a már halott csillagok maradványai által kibocsátott sugárzás látható
Images courtesy of Robert Gendler (látható fény); ESA / Herschel / PACS / SPIRE / J Fritz, U Gent (infravörös); ESA / XMM-Newton / EPIC / W Pietsch, MPE (röntgensugár) szíves hozzájárulásával közöljük

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.

4. ábra: Az Orion-köd, egy jellegzetes “csillag-bölcső” képe különböző hullámhosszakon. A kék kereten belül az Orion-csillagkép egy része látható, a narancssárga keretben pedig részletgazdagabban látszik az Orion-köd. Ennek a régiónak, ahol csillagok ezrei jönnek létre, a képe nagyon eltérő az elektromágneses spektrum különböző tartományaiban. A látható fény tartományban működő földi távcsővel főként a csillagok láthatók, míg a nagyobb hullámhosszúságú tartomány (közeli és közepes infravörös, valamint milliméternél kisebb hullámhosszúságú és mikrohullámú) főként a hideg gázok és a por bonyolult mintázatú keverékét tárja fel, amelyből a csillagok születnek. Ezzel szemben, a röntgensugárzás a fiatal, nagytömegű csillagok által kilövelt különösen forró gázokat mutatja meg
Images courtesy of ESA / AOES Medialab (teljes kompozíció); Kosmas Gazeas (látható fény, nagy kép); STScI-DSS (látható fény, kis kép); ESA, LFI & HFI Consortia (mikrohullám és milliméter alatti); AAAS / Science, ESA XMM-Newton és NASA Spitzer adatok (közepes infravörös és röntgensugárzás); NASA, ESA, M Robberto (Space Telescope Science Institute / ESA) és Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team (látható és közeli infravörös) szíves hozzájárulásával közöljük

Pillantás az égre: földi távcsöves csillagászat

Az ESA űrteleszkóphoz kiegészítésként használják az European Southern Observatory (ESO)w4. földi távcsöveit.A földi atmoszféra által előidézett torzítások csökkentése érdekében ezeket a távcsöveket Chile északi részén építették fel. Az északi félgömbön ez a legjobb helyek közé tartozik a csillagászati megfigyelések szempontjából, ugyanis nagy tengerszint feletti magasságban van és itt száraz a levegő.

Az ESA-hoz hasonlóan az ESO is az EM spektrum különböző tartományaiban végez megfigyeléseket. Az ESO Nagyon Nagy Teleszkópja (Very Large Telescope VLT) a világ legkorszerűbb berendezése a látható fény és az infravörös tartományokban. Négy 8,2 m átmérőjű és négy kisebb távcsövet tartalmaz, amelyek együtt interferometer-ként dolgoznak, a részletekre kiterjedő megfigyeléseket is lehetővé téve. Az Atacama sivatagban még építés alatt áll az ALMA, ami jelenleg a legnagyobb földi csillagászati projekt. Az ESO és a nemzetközi partnerek közötti együttműködés eredményeként az ALMA a milliméter és milliméternél kisebb hullámhosszúságú sugárzásokat érzékeli, és ezzel lehetővé teszi, hogy a csillagászok a jelenleginél sokkal jobb felbontással és érzékenységgel tudják észlelni az Univerzum leghidegebbb és legtávolabbi objektumait (Mignone & Pierce-Price, 2010).

Az ESO tagja az EIROforumw5-nak, amely kiadja a Science in School-t.


 

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.

5. ábra: az ESA jelenlegi és jövőbeli űrszondái, amelyek az Univerzumot az EM spektrum segítségével kutatják. Balról jobbra haladva: rádió hullámok, mikrohullámok, mm-nél kisebb hullámhosszúságú sugárzás, infravörös, látható fény, ultraibolya, röntgen-és gammasugár. A nagyobb méretű változatért kattintson a képre
A képet ESA szíves hozzájárulásával közöljük

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.

Download

Download this article as a PDF

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
    • Ha többet akar megtudni az ESA Természettudomány és Robotfejlesztési részlegéről (Directorate of Science and Robotic Exploration), látogasson ide: www.esa.int/esaSC

  • 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

Institution

ESA, ESO

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:

  1. Milyen hullámtípusba tartoznak az elektromágneses hullámok? Transzverzális vagy longitudinális?
  2. Mondjon példát olyan elektromágneses sugárzásra, amelyiknek nagyobb illetve kisebb a frekvenciája, mint a látható fénynek!
  3. Ismertesse a látható fény és a rádióhullámok néhány technikai alkalmazását!
  4. Mit gondol, vajon a légszennyezés hatással lehet-e arra, hogy mennyi sugárzást detektálnak? Indokolja a választ!
  5. Nevezzen meg egy olyan egészségkárosító hatást, amelyet a csökkent mennyiségű ózont tartalmazó felsőlégkörön keresztülhatoló UV sugárzás okoz.
  6. 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.


Angela Charles, Malta




License

CC-BY-NC-ND