Mai mult decât văd ochii: spectrul electromagnetic Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Claudia Mignone şi Rebecca Barnes ne conduc într-un tur prin spectrul electromagnetic şi ne prezintă flota de misiuni ştiinţifice a Agenţiei Spaţiale Europene, deschizându-ne ochii asupra unui Univers misterior şi ascuns.

Pentru imagine, multumim ESA

Aflăm despre lumea din jurul nostru prin intermediul simţurilor. Iar ochii joacă un rol major, deoarece lumina poartă o mulţime de informaţii despre sursa sa şi despre obiectele care fie o reflectă fie o absorb. Precum majoritatea animalelor, oamenii au un sistem vizual care colectează semnale luminoase şi le retransmite la creier. Însă ochii ne sunt sensibili doar la o mică porţiune din spectrul de lumină – suntem orbi la orice este în afara domeniului de lumină numit “vizibilă”.

Oare? Pe parcursul secolului al XIX-lea, savanţii au descoperit şi vizualizat câteva tipuri de lumină care anterior nu se puteau vedea: radiaţiile ultravioletă (UV) şi infraroşie (IR), raze X şi raze gamma, unde radio şi microunde. Curând a devenit clar că lumina vizibilă şi aceste noi-descoperite forme de lumină sunt, cu toate, manifestări ale aceluiaşi lucru: radiaţia electromagnetică (EM) (vedeţi Figura 1).

Figura 1: O diagramă a spectrului EM cu indicarea lungimilor de undă, a frecvenţelor şi energiilor
Pentru imagine, multumim ESA / AOES Medialab

Diversele tipuri de radiaţie electromagnetică se disting prin energia proprie: razele gamma sunt cele mai energetice, urmate de razele X, UV, cele vizibile şi cele IR. Tipurile de radiaţie EM cu lungimi de undă mai mari decât lumina IR sunt clasificate ca unde radio. Acestea sunt subdivizate în unde sub-milimetrice, micro-unde, şi respectiv unde radio cu lungime de undă mai mare. Radiaţia EM se propagă ca unde ce pot călători inclusiv prin vid. Energia undei (E) este dependentă de frecvenţa sa (f): E = hf, unde h este constanta lui Plank, numită astfel după fizicianul german Max Planck. Relaţia dintre frecvenţă şi lungimea de undă (λ) a radiaţiei EM este dată de formula fλ = c, unde c este viteza luminii în vid. Aceste două relaţii permit descrierea radiaţiei EM atât în funcţie de energie cât şi în funcţie de frecvenţă sau de lungimea de undă.

Radiaţiile cu energii diferite (sau frecvenţe, sau lungimi de undă diferite) sunt produse prin procese fizice diferite şi pot fi detectate prin modalităţi diverse – de aceea, de exemplu, lumina UV şi undele radio au aplicări diferite în viaţa cotidiană.

Figura 2: Spectrul electromagnetic şi opacitatea atmosferei. a) Razele gamma, razele X şi lumina UV sunt blocate de amtosfera superioară (fiind observabile complet doar din spaţiul cosmic). b) Lumina din spectrul vizibil este observabilă de pe Pământ, cu uşoare distrosiuni atmosferice. c) Cea mai mare parte a spectrului IR este absorbită de atmosferă. d) Undele sub-milimetrice şi microundele pot fi uşor observate de la sol, dar lungimile de undă de peste 10 m sunt absorbite de atmosferă.
Pentru imagine, multumim ESA / Hubble / F Granato
Pentru imagine, multumim ESA

Spre sfârşitul secolului al XIX-lea, savanţii au început să cerceteze modul în care radiaţia din cosmos poate fi captată pentru a “vedea” obiecte astronomice, precum stelele şi galaxiile, în lungimi de undă dincolo de spectrul vizibil. În primul rând astfel de unde trebuie să treacă bariera atmosferei Pământului.

Atsmofera este, desigur, transparentă pentru lumina vizibilă – de aceea multor animale li s-au dezvoltat ochi sensibil la această parte a spectrului.

Totuşi, o mică parte a spectrului EM poate penetra stratul gros al atmosferei (Figura 2).

Pentru imagine, multumim ESA
  • Razele gamma şi X, deşi foarte energice, sunt absorbite de oxigenul şi de azotul din straturile superioare ale atmosferei, având lungimi de undă comparabile sau mai mici decât atomii. Acest lucru protejează viaţa de pe Pământ de radiaţia mortală, dar îi împiedică pe astronomi să o detecteze.
  • Majoritatea radiaţiei ultraviolete este absorbită de oxigen şi de ozonul din straturile înalte ale atmosferei. Pentru a exploata radiaţia UV care atinge Pământul, anumite animale şi-au dezvoltat ochi cu care o pot detectaw1.
  • Radiaţia infraroşie cu lungimi de undă mai scurte, poate penetra atmosfera, dar – pe măsură ce lungimea de undă ajunge la un micrometru – tinde să fie absorbită de vaporii de apă şi de alte molecule din atmosferă.
  • Acelaşi lucru se întâmplă şi cu radiaţia sub-milimetrică – unde radio cu lungimi de undă de câteva sute de micrometrii până la un milimetru – şi cu micro-undele. Ele pot fi totuşi observate fie folosind facilităţi instalate pe sol în zone de înaltă altitudine şi cu climat uscat (precum descriu Mignone & Pierce-Price, 2010), fie prin experimente aeriene, din balon sau din spaţiu.
  • Atmosfera este transparentă pentru undele radio cu lungime de undă medie, care pot fi uşor observate de la sol, dar blochează undele radio cu lungimi de undă mai mari de 10 metri.

Detalii despre ESA

Agenţia Spaţială Europeană (ESA – European Space Agency)w2 este poarta Europei către spaţiu, organizând programe ce studiază Pământul, spaţiul cosmic din apropiere, sistemul solar şi Universul. Agenţia cooperează în proiecte de explorare a spaţiului, dezvoltă tehnologii şi servicii bazate pe sateliţi, şi promovează industriile europene.

Directoratul pentru Ştiinţă şi Explorare Robotică este devotat programelor spaţiale ale ESA şi explorării automatice a sistemului solar. În efortul de a înţelege Universul, stele, planetele şi chiar originea vieţii, sateliţii ştiinţifici ai ESA scrutează adâncimile cosmosului şi caută galaxi îndepărtate, studiază Soarele în detalii ne-mai-atinse, şi explorează vecinătăţile cosmice ale planetei noastre.

ESA este membru al EIROforumw5, editorul revistei Science in School.


 

Opacitatea atmosferei nu este singura provocare pentru astronomi; turbulenţa atmosferei afectează calitatea observaţiilor astronomice chiar pentru unde care ating solul, precum lumina vizibilă. Confruntaţi cu aceste probleme, în a doua jumătate a secolului al XX-lea, urmând începuturile anilor cosmici, astronomii au început să lanseze telescoape dincolo de atmosferă, în spaţiu. Acest lucru a pornit în astronomie o revoluţie comparabilă cu inventarea primului telescop, acum 400 de ani.

Figura 3: Galaxia Andromeda, cea mai apropiată galaxie majoră, văzută în lungimi de undă diferite. Observaţiile din spectrul vizibil, realizate cu un telescop la sol, arată câteva sute de miliarde de stele în alcătuirea acestei galaxii. Observaţiile cu lungimi de undă de infraroşu îndepărtat, de la observatorul spaţial Herschel, dezvăluie amestecul de gaze şi de praf cosmic din care se vor naşte viitoarele stele. Observaţiile cu raze X, de la observatorul XMM-Newton, arată strălucirea emisă de stele aflate la sfârşitul vieţii sau rămasă de la stele care deja au murit.
Pentru imagini, multumim Robert Gendler (spectrul vizibil); ESA / Herschel / PACS / SPIRE / J Fritz, U Gent (infraroşu); ESA / XMM-Newton / EPIC / W Pietsch, MPE (raze X)

Deoarece diverse procese fizice emit radiaţii cu lungimi de undă diferite, sursele cosmice strălucesc într-una sau mai multe porţiuni ale spectrului EM. Totuşi, prin exploatarea ambelor tipuri de telescoape, de la sol şi din spaţiul cosmic, astronomii pot astăzi să combine observaţii într-un spectru lărgit, producând deci inedite şi extrem de captivante imagini asupra Universului (Figura 3 şi Figura 4). Observaţiile din sprectrul IR, de exemplu, arată o mixtură altfel invizibilă de praf şi de gaze care umple spaţiul inter-stelar şi din care se nasc stele noi. Prin detectarea razelor gamma şi X, astronomii pot observa şi cele mai puternice fenomene ale Universului, precum găurile negre devorând materie sau exploziile de supernove.

Figura 4: Nebuloasa Orion, o “creşă” de stele reprezentativă, văzută prin emisii cu lungimi de undă diferite. Cadrul albastru apropie o parte din constelaţia Orion, iar cadrul portocaliu apropie şi mai mult, arătând Nebuloasa Orion în detalii. Această regiune, unde se formează mii de stele, arată foarte diferit de-alungul spectrului EM. Observaţiile în spectrul vizibil, de la observatoare terestre, prezintă în principal stele, în timp ce obeservaţiile cu lungimi de undă mai mari (infraroşu apropiat sau de mijloc, unde (sub)milimetrice şi microunde) arată un amestec complex de gaze reci şi praf din care se pot naşte stelele. În schimb, observaţiile de raze X prezintă gazele fierbinţi aruncate de stelel tinere şi mari
Pentru imagini, multumim ESA / AOES Medialab (compoziţia globală); Kosmas Gazeas (imaginea mare corespunzând spectrului vizibil); STScI-DSS (imaginea mica în spectrul vizibil); Consorţiilor ESA, LFI & HFI (microunde şi unde (sub)milimetrice); AAAS / Science, ESA XMM-Newton and NASA Spitzer data (infraroşii de mijloc şi raze X); NASA, ESA, M Robberto (Space Telescope Science Institute / ESA), şi respectiv Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team (în spectru vizibil şi în infraroşu apropiat)

Privind cerurile: astronomia de la sol

Există, complementare telescoapelor cosmice ale ESA, telescoapele terestre ale Observatorului European din Emisfera Sudică (ESO – European Southern Observatory)w4. Pentru a minimiza distorsionarea dată de atmosfera Pământului, telescoapele ESO se află în nordul Chile, într-una dintre cele mai bune locaţii pentru observaţii astronomice din emisfera sudică, datorită altitudinii înalte şi a aerului uscat.

La fel ca ESA, ESO face observaţii în diverse porţiuni ale spectrului electro-magnetic. VLT (Very Large Telescope) – telescopul cel mai mare al ESO – este cel mai avansat telescop lucrând în spectrul vizibil şi în infraroşu, şi constă din patru telescoape cu doametrul de 8,2 m plus încă două telescoape mai mici, care pot lucra împreună ca un interferometru, ceea ce creşte semnificativ detalierea observaţiilor. ALMA, aflat în stadiu de construire în deşertul Atacama, va fi cel mai mare proiect astronomic terestru în funcţiune. Rezultat al colaborării dintre ESO şi parteneri internaţionali, ALMA va detecta radiaţie milimetrică şi submilimetrică, îngăduind astronomilor să observe câteva dintre cele mai reci şi mai depărtate obiecte din Univers, cu rezoluţie şi sensibilitate superioare celor posibile astăzi (Mignone & Pierce-Price, 2010).

ESO este membră a EIROforumw5, editorul revistei Science in School.


 

Studierea cosmosului în tot spectrul EM este unul dintre obiectivele ştiinţifice ale Agenţiei Spaţiale Europene (ESA; vedeţi caseta)w2, ce are în funcţiune cinci misiuni dedicate astronomiei (vedeţi Figura 5). În ordinea crescătoare a energiei radiaţiei electromagnetice, cele cinci misiuni sunt: Planck (unde sub-milimetrice şi microunde), Hershel (infraroşu), telescopul spaţial Hubble (lucrând în spectrul vizibil şi parţial în IR şi UV), XMM-Newton (raze X) şi INTEGRAL (raze gamma şi X)w3.

Figura 5: Flota actuală şi cea viitoare de misiuni ale ESA scrutează Universul prin întregul spectru EM. De la stânga la dreapta: unde radio, micro-unde, radiaţie sub-mm, infraroşu, lumină vizibilă, ultraviolet, raze X şi raze gamma. Clicați pe imagine pentru a o mări
Pentru imagine, multumim ESA

În articole viitoare din Science in School vom explora şi mai detaliat spectrul electromagnetic cu ajutorul flotei ESA de telescoape cosmice, trecute şi actuale, telescoape ce ne ajută să modelăm şi să înţelegem Universul.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

  • Fluxurile video pentru dispozitive mobile gen iPod (vodcast) de la Science@ESA explorează Universul prin ochii flotei de nave spaţiale a ESA. Episodul 1 (“Întregul spectru”) prezintă motivul pentru care avem nevoie să trimitem telescoape în spaţiul cosmic şi ce ne pot ele spune despre Univers. Vedeţi: http://sci.esa.int/vodcast
  • Pentru a învăţa mai multe despre atmosfera Pământului şi despre rolul (şi lipsa) ozonului, vedeţi:
  • Pentru a vedea cum profesorul de fizică Alessio Bernadelli şi-a stimulat elevii să studieze spectrul EM dându-le ca temă să-şi producă propriile emisiuni TV despre subiect, vedeţi blogul lui Alessio (http://alessiobernardelli.wordpress.com) sau folosiţi web-link-ul direct: http://tinyurl.com/42ow4a9
  • Pentru a afla cum lungimea de undă pe care un obiect ceresc îşi emite lumina depinde de temperatura obiectului, vedeţi: http://sci.esa.int/jump.cfm?oid=48986
  • ESA a produs o gamă largă de materiale educaţionale gratuite pentru a ajuta profesorii în pregătirea orelor de clasă, precum materiale tipărite, filme pe DVD sau on-line, chituri de instruire şi web-site-uri. Pentru a vedea lista lor completă, accesaţi: www.esa.int/educationmaterials
  • Pentru a afla despre activităţile educaţionale ale ESA vedeţi: www.esa.int/education

Institution

ESA, ESO

Author(s)

Claudia Mignone – Vitrociset Belgium, ESA – este scriitoare de articole ştiinţifice. A studiat astronomia la Universitatea din Bolonia, Italia, şi are un titlu de doctor în cosmologie de la Universitatea din Heidelberg, Germania. Înainte de a se angaja la ESA, ea a lucrat în biroul de relaţii publice al ESO.

Rebecca Barnes – HE Space Operations, ESA – este ofiţer de educaţie la Directoratul pentru Ştiinţă şi Explorare Robotică al ESA. Are studii de astro-fizică la Universitatea din Leicester, Marea Britanie. Înainte de ESA, ea a lucrat în departamentele de educaţie şi comunicaţie ale Centrului Spaţial Naţional al Marii Britanii. Pentru a afla mai multe despre activităţile Directoratului pentru Ştiinţă şi Explorare Robotică o puteţi contacta pe Rebecca prin e-mail la SciEdu@esa.int


Review

Articolul prezintă cititorului aspecte şi aplicaţii ale spectrului electromagnetic care în general nu sunt revelate pe acest subiect. Mai mult, el oferă profesorilor oportunităţi pentru a-şi implica şi motiva elevii în studierea acestui subiect fascinant.

Fluxurile video pentru dispozitive iPod de la ESA, menţionate în secţiunea despre resurse, constituie un material excelent pentru implicarea cititorilor în subiectul radiaţiei EM. Profesorii pot de asemenea să se aboneze pentru a primi actualizări ale acestei resurse.

Posibile subiecte şi întrebări potrivite pentru înţelegerea şi completarea aspectelor prezentate:

  1. Ce tip de unde sunt radiaţiile electromagnetice? Transversale sau longitudinale?
  2. Daţi exemple de radiaţii electromagnetice cu frecvenţe mai mari şi respectiv mai mici decât frecvenţele luminii vizibile.
  3. Descrieţi câteva aplicaţii tehnologice ale undelor luminoase şi a undelor radio.
  4. Credeţi că poluarea afectează cantitatea de radiaţie detectată? Motivaţi răspunsul.
  5. Name one detrimental effect of UV light when it is not stopped by ozone in upper atmospheric layers.
  6. Care este impedimentul major al folosirii telescoapelor terestre?

De obicei asociem lansarea telescoapelor astronomice cu NASA. Acest articol revelează faptul că şi Europa este foarte activă în studierea cosmosului – aspect care ar trebui să facă subiectul mai familiar elevilor europeni, şi să facă ştiinţa mai importantă pentru ei.


Angela Charles, Malta




License

CC-BY-NC-ND