Viac než by sa zdalo na prvý pohľad: elektromagnetické spektrum Understand article

Preložila Alena Gintnerová. Claudia Mignone a Rebecca Barnes nás berú na prehliadku elektromagnetického spektra a predstavujú nám vedecké misie Európskej agentúry pre vesmír (European Space Agency), ktoré našim očiam odkrývajú záhadný a skrytý vesmír.

Obrázok so súhlasom ESA

Poznatky o svete okolo nás získavame pomocou našich zmyslov. Naše oči hrajú hlavnú úlohu, pretože svetlo nesie veľa informácií o svojom zdroji a o objektoch, ktoré ho buď odrážajú, alebo absorbujú. Ako väčšina zvierat, ľudia majú vizuálny system, ktorý zbiera svetelné signály a prenáša ich do mozgu. Naše oči sú však citlivé len na veľmi malú časť svetelného spektra – sme slepí na všetko okrem toho, čo voláme ‘viditeľné’ svetlo.

Alebo nie sme? V priebehu 19. storočia vedci objavili a vizualizovali niekoľko rôznych druhov predtým neviditeľného svetla: ultrafialové(UV) a infračervené(IR) žiarenie, röntgenové a gama žiarenie, rádiové vlny a mikrovlny. Čoskoro bolo zjavné, že viditeľné svetlo a tieto novoobjavené formy svetla sú všetko prejavy tej istej veci: elektromagnetického(EM) žiarenia (viď Obrázok 1).

Obrázok 1: Schéma EM spektra s vyznačením vlnových dĺžok, frekvencií a energií
Obrázok so súhlasom ESA / AOES Medialab

Rôzne typy EM žiarenia sa líšia svojou energiou: gama žiarenie je najenergetickejšie, nasleduje röntgenové žiarenie, UV, viditeľné a infračervené svetlo. Typy EM žiarenia, ktoré majú vlnové dĺžky väčšie ako infračervené svetlo sú zatriedené ako rádiové vlny. Tieto sa delia na submilimetrové vlny, mikrovlny a rádiové vlny s dlhšími vlnovými dĺžkami. EM žiarenie sa šíri vlnami, ktoré sa šíria dokonca aj vo vákuu. Energia(E) vlny súvisí s jej frekvenciou(f) podľa vzťahu: E=hf, kde h je Planckova konštanta, nazvaná podľa nemeckého fyzika Maxa Plancka. Vzťah medzi frekvenciou a vlnovou dĺžkou(λ) EM žiarenia je fλ = c, kde c je rýchlosť svetla vo vákuu. Tieto dva vzťahy umožňujú opísať EM žiarenie nielen pomocou energie ale aj pomocou frekvencie alebo vlnovej dĺžky.

Žiarenie rôznych energií (alebo frekvencií, alebo vlnových dĺžok) je produkované rôznymi fyzikálnymi procesmi a môže byť detekované rôznymi spôsobmi – preto má rôzne využitie v každodennom živote, ako napríklad UV svetlo a rádiové vlny.

Obrázok 2: EM spektrum a nepriehľadnosť atmosféry. a) Gama-lúče, röntgenové lúče a UV svetlo sú blokované vyššou vrstvou atmosféry ( najlepšie pozorované z vesmíru).b) Viditeľné svetlo je pozorovateľné zo Zeme s istým skreslením spôsobeným atmosférou. c) Väčšina infračerveného svetla je absorbovaná atmosférou (najlepšie pozorované z vesmíru). d)Menej ako milimetrové vlny a mikrovlny môžu byť pozorované zo Zeme vo vysokej nadmorskej výške a v obzvlášť suchom podnebí. e) Rádiové vlny strednej dĺžky môžu byť ľahko pozorované zo Zeme, ale vlnové dĺžky väčšie ako 10 m sú absorbované atmosférou
Obrázok so súhlasom ESA / Hubble / F Granato
Obrázok so súhlasom ESA

Ku koncu 19. storočia začali vedci skúmať ako by sme toto žiarenie z kozmu mohli zachytiť, aby sme ‘videli’ astronomické objekty, napríklad hviezdy a galaxie, mimo rozsahu viditeľného svetla. Najprv však museli prekonať bariéru zemskej atmosféry.

Atmosféra je samozrejme priehľadná pre viditeľné svetlo – preto sa mnohým zvieratám vyvinuli oči citlivé na túto časť EM spektra.

Avšak veľmi málo zo zvyšku EM spektra môže preniknúť cez túto hrubú vrstvu našej atmosféry (Obrázok 2).

Obrázok so súhlasom ESA
  • Vysokoenergetické gama a röntgenové lúče, s vlnovými dĺžkami takými malými alebo menšími ako atómy, sú absorbované vo vyššej atmosfére. Toto chráni život na Zemi od smrteľného žiarenia, ale sťažuje astronómom jeho detekovanie.
  • Väčšina ale nie všetko UV žiarenie je absorbované kyslíkom a ozónom vo vyššej atmosfére a stratosfére. Aby využili to UV žiarenie, ktoré sa dostane na Zem, niektorým zvieratám sa vyvinuli oči, ktoré ho môžu detekovaťw1.
  • Kratšie vlnové dĺžky infračerveného žiarenia môžu preniknúť cez atmosféru, ale kedže tieto vlnové dĺžky sa blížia k jednému mikrometru, infračervené žiarenie má tendenciu byť pohltené vodnými parami a inými molekulami v atmosfére.
  • To isté sa deje so žiarením s vlnovými dĺžkami menšími ako milimeter – rádiovými vlnami od pár stoviek mikrometrov do približne 1 milimetra a s mikrovlnami. Môžeme ich pozorovať pomocou uzemnených zariadení umiestnených v oblastiach s vysokou nadmorskou výškou a obzvlášť suchým podnebím (ako opisuje Mignone & Pierce-Price, 2010), alebo pomocou experimentov umiestnených na balónoch alebo vo vesmíre.
  • Atmosféra je priehľadná pre rádiové vlny strednej dĺžky, ktoré môžeme ľahko pozorovať zo Zeme, ale blokuje rádiové vlny dlhšie ako desať metrov.

Viac o ESA

Európska vesmírna agentúra (ESA)w2 e európskou bránou do vesmíru, ktorá organizuje programy, ktoré umožňujú zistiť viac o Zemi, jej najbližšom vesmírnom okolí, našej slnečnej sústave a o vesmíre, a tiež spolupracovať v dobývaní vesmíru človekom, vyvíjať technológie a služby založené na satelitoch a propagovať európsky priemysel.

Vedenie vedeckého a robotického výskumu sa venuje vesmírnemu vedeckému programu ESA a robotickému výskumu slnečnej sústavy. V pátraní po pochopení vesmíru, hviezd a planét, a o pôvode samotného života, vesmírne vedecké satelity ESA pozerajú do hĺbok vesmíru a na najvzdialenejšie galaxie, študujú Slnko v doteraz nevídaných detailoch a objavujú našich planetárnych susedov.

ESA je členom EIROforumw5, vydavateľa Science in School.


 

Nepriehľadnosť atmosféry nie je jediná výzva, ktorú atmosféra predstavuje pre astronómov; jej turbulencia tiež zhoršuje kvalitu astronomických pozorovaní dokonca aj pri vlnových dĺžkach, ktoré dosahujú zem, ako je to v prípade viditeľného svetla. Stojac pred týmito problémami, v druhej polovici 20. storočia, po zrode vesmírneho veku, astronómovia začali vypúšťať svoje teleskopy nad atmosféru, do vesmíru. Toto začalo revolúciu v astronómii porovnateľnú s vynálezom prvého ďalekohľadu pred viac ako 400 rokmi.

Obrázok 3: Galaxia Andromeda, najbližšia veľká galaxia pri Mliečnej ceste, videná pri rôznych vlnových dĺžkach. Pozorovania viditeľného svetla ďalekohľadom umiestneným na Zemi, ukazujú niekoľko stoviek miliárd hviezd, ktoré vytvárajú galaxiu. Pozorovania hlboko-infračervených vlnových dĺžok Herschelovým vesmírnym observatóriom odhaľujú zmes tvorenú (hlavne) plynom a prachom, z ktorej sa zrodia nové hviezdy. Röntgenové pozorovania XMM-Newtonovým vesmírnym observatóriom zobrazujú svetlo hviezd, ktoré sa blížia ku koncu svojho životného cyklu alebo svetlo pozostatkov hviezd, ktoré už zomreli
Obrázky so súhlasom Robert Gendler (viditeľné svetlo); ESA / Herschel / PACS / SPIRE / J Fritz, U Gent (infračervené); ESA / XMM-Newton / EPIC / W Pietsch, MPE (röntgenové)

Pretože rôzne fyzikálne procesy vyžarujú žiarenie rôznych vlnových dĺžok, kozmické zdroje žiaria jasne v jednej alebo viacerých častiach EM spektra. Využitím pozemských teleskopov aj teleskopov umiestnených vo vesmíre teda dnes môžu astronómovia kombinovať pozorovania v rôznych častiach spektra, čo viedlo k vytvoreniu donedávna skrytého a nesmierne úchvatného obrazu Vesmíru (Obrázok 3 a Obrázok 4). Observations in the IR range, for instance, show the otherwise invisible mixture of dust and gas that fills interstellar spaces and from which new stars are born. By detecting gamma- and X-rays, astronomers can observe the most powerful phenomena in the Universe, such as black holes devouring matter and supernova explosions.

Obrázok 4: Hmlovina Orion, ukážková kozmická „škôlka“, videná pri rôznych vlnových dĺžkach. V modrom ráme je zväčšená časť súhvezdia Orionu. V oranžovom ráme je hmlovina Orionu pri ešte väčšom zväčšení. Táto oblasť, kde sa formujú tisícky hviezd, vyzerá veľmi odlišne v rôznych oblastiach EM spektra. Pozorovania vo viditeľnom svetle z pozemských observatórií, ukazujú väčšinou hviezdy, kým pozorovania pri dlhších vlnových dĺžkach (blízkych a stredných-infračervených, (sub)milimetrových a mikrovlnách) odhaľujú zložitú zmes studeného plynu a prachu, z ktorých sa rodia hviezdy. Naopak röntgenové pozorovania ukazujú mimoriadne horúci plyn vyvrhovaný obrovskými mladými hviezdami
Obrázky so súhlasom ESA / AOES Medialab (celkové zloženie); Kosmas Gazeas (viditeľné svetlo, veľký obrázok); STScI-DSS (viditeľné svetlo, malý obrázok); ESA, LFI & HFI Consortia (mikrovlny a (sub)milimetrové vlny); AAAS / Science, ESA XMM-Newton and NASA Spitzer údaje (stredné infračervené a röntgenové lúče); NASA, ESA, M Robberto (Space Telescope Science Institute / ESA) a the Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team (viditeľné a blízke infračervené)

Pohľad do neba: pozemská astronómia

Doplnkom vesmírnych teleskopov ESA sú pozemské teleskopy Európskeho južného observatória European Southern Observatory (ESO)w4. Aby sa minimalizovali skreslenia výsledkov spôsobené zemskou atmosférou, ESO prevádzkuje teleskopy na miestach v severnom Chile, ktoré patria medzi najlepšie lokality pre astronomické pozorovania na južnej pologuli, pretože majú vysokú nadmorskú výšku a suchú atmosféru.

Tak ako ESA, aj ESO robí pozorovania v rôznych častiach EM spectra. Ďalekohľad VLT (Very Large Telescope) patriaci ESO je najlepším teleskopom vo viditeľnom a infračervenom svetle na svete. Skladá sa zo štyroch teleskopov s priemerom 8.2 m a štyroch menších teleskopov, ktoré môžu pracovať spolu ako interferometer a umožňujú tak ešte detailnejšie pozorovania. Najväčší existujúci pozemský astronomický project ALMA, sa ešte stavia v púšti Atacama. ALMA, výsledok spolupráce medzi ESO a medzinárodnými partnermi, bude detekovať milimetrové a submilimetrové žiarenie, čím umožní astronómom pozorovať niektoré z najchladnejších a najvzdialenejších objektov vo Vesmíre s omnoho lepším rozlíšením a citlivosťou ako je to možné v súčasnosti (Mignone & Pierce-Price, 2010).

ESO je členom EIROforumw5, vydavateľa Science in School.


 

Skúmanie vesmíru cez EM spektrum je jedným z vedeckých cieľov Európskej agentúry pre vesmír (ESA; viď okienko)w2, ktorá má momentálne päť misií venovaných astronómii (viď Obrázok 5). V usporiadaní podľa rastúcich energií sú to Planck (sub-milimetrové a mikrovlny), Herschel (infračervené), Hubble Space Telescope Hubblov vesmírny teleskop (viditeľné a tiež niektoré infračervené a ultrafialové vlnové dĺžky), XMM-Newton (röntgenové lúče), and INTEGRAL (gama a röntgenové lúče)w3.

Obrázok 5: Súčasná a budúca flotila ESA misií skúmajúcich Vesmír cez EM spektrum. Zľava doprava: rádiové vlny, mikrovlny, sub-mm žiarenie, infračervené, viditeľné svetlo, ultrafialové, röntgenové lúče a gama lúče. Kliknutím na obrázok ho zväčšite
Obrázok so súhlasom ESA

V budúcich článkoch v Science in School budeme skúmať EM spektrum podrobnejšie s pomocou ESA flotily predchádzajúcich a súčasných vesmírnych teleskopov, ktoré prispeli k pretvoreniu nášho chápania Vesmíru.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

  • vedeckých kozmických lodí ESA. Epizóda 1 (‘Celé spektrum’) skúma, prečo musíme vysielať teleskopy do vesmíru a čo nám môžu o Vesmíre povedať. Viďe: http://sci.esa.int/vodcast
  • Aby ste zistili viac o atmosfére Zeme a úlohe a miznutí ozónu, pozrite:
  • Ak chcete vidieť ako učiteľ fyziky Alessio Bernadelli nadchol svojich študentov pre EM spektrum tým, že ich nechal vytvoriť o ňom ich vlastnú TV šou, pozri Alessiov blog (http://alessiobernardelli.wordpress.com) or use the direct link: http://tinyurl.com/42ow4a9
  • Ak chcete zistiť ako súvisí vlnová dĺžka, pri ktorej nebeský objekt vyžaruje väčšinu svojho svetla, s jeho teplotou, pozrite: http://sci.esa.int/jump.cfm?oid=48986
  • ESA v širokom rozsahu vyprodukovala voľne dostupné vzdelávacie materiály na podporu učiteľov v triedach, ktoré zahŕňajú tlačené materiály, DVD a online videá, vzdelávacie súpravy a webové stránky. Ak chcete vidieť ich úplný zoznam, navštívte: www.esa.int/educationmaterials
  • Ak chcete vyhľadať všetky vzdelávacie aktivity ESA, pozrite: www.esa.int/education

Institution

ESA, ESO

Author(s)

Claudia Mignone, Vitrociset Belgicko pre ESA – European Space Agency ( Európsku vesmírnu agentúru), je vedecká spisovateľka pre ESA. Má diplom v astronómii z University of Bologna, Taliansko, a PhD v kozmológii z University of Heidelberg, Nemecko. Pred príchodom do ESA, pracovala v kancelárii pre styk s verejnosťou Európskeho vesmírneho observatória (ESO).

Rebecca Barnes, HE Vesmírne operácie pre ESA – Európsku vesmírnu agentúru , je úradníkom pre vzdelávanie Vedenia vedeckého a robotického výskumu ESA . Má diplom vo fyzike a astronómii z University of Leicester, UK (Veľká Británia), a predtým pracovala v oddeleniach pre vzdelávanie a vesmírnu komunikáciu UK’s National Space Centre(Národného vesmírneho centra Veľkej Británie). Ak sa chcete dozvedieť viac o vzdelávacích aktivitách Vedenia vedeckého a robotického výskumu ESA , kontaktujte Rebeccu na SciEdu@esa.int


Review

Tento článok predstavuje čitateľovi také aplikácie elektromagnetického spektra, o ktorých sa obyčajne neuvažuje keď sa zaoberá týmto problémom. Ďalej poskytuje učiteľom možnosti, aby zapojili svojich študentov a motivovali ich v ďalšom výskume tejto úžasnej témy.

ESA vysielania “video on demand”, o ktorých sme sa zmieňovali v časti Zdroje, sú výborným materiálom pre zapojenie tých, ktorí sa učia o EM žiarení. Učitelia sa tiež môžu zapísať na odber najaktuálnejších vysielaní.

Možné otázky na zistenie porozumenia a rozsahu zahŕňajú:

  1. Aký druh vĺn je elektromagnetické žiarenie? Priečne alebo pozdĺžne?
  2. Uveďte príklady typov elektromagnetického žiarenia s vyššími a nižšími frekvenciami ako viditeľné svetlo.
  3. Opíšte nejaké technologické aplikácie svetelných a rádiových vĺn.
  4. Myslíte si, že znečistenie ovplyvňuje množstvo detekovaného žiarenia? Vysvetlite svoju odpoveď.
  5. Menujte jeden škodlivý efekt UV svetla, keď nie je zastavené ozónom vo vrchných atmosferických vrstvách.
  6. Čo je najväčšia prekážka efektívneho použitia pozemských teleskopov?

Normálne si spájame štart astronomických teleskopov s NASA. Tento článok však vyjasňuje, že Európa tiež aktívne študuje oblohu – čo by malo priniesť túto tému európskym študentom bližšie domov, a robí to vedu pre nich viac relevantnou.


Angela Charles, Malta




License

CC-BY-NC-ND