Fizika | Csillagászat, űrkutatás » Ami szemmel csak részben látható

2014.813 Ami szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum Published in Science in School (http://www.scienceinschoolorg) Home > Ami szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum A mi szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum Fordította: Adorjánné Farkas Magdolnaés A k é pe t ESA szíve s 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 számunkra a misztikus és eddig rejtőzködő Világmindenséget. hozzájárulásával k özöljük 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: A z EM spe k t rum a hullám hosszak , a f re k v e nciák é s az e ne rgiák m e gje lölé sé v e l A k é pe t ESA / AO ES Me dialab szíve s hozzájárulásával k özöljük http://www.scienceinschoolorg/print/2663 1/9 2014.813 Ami

szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum 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: A z EM spe k t rum é s a lé gk ör át lát szósága a) A gam m a-, a rönt ge n- é s az UV sugarak at a lé gk ör f ölső ré t e ge i k iszűrik (e zé rt e ze k f ők é nt csak az űrből é szle lhe t ők ). b) A lát hat ó f é ny t m e g le he t f igy e lni a F öldről, bár a lé gk ör ok oz e gy k is t orzulást . c) A z I R sugárzás nagy ré szé t e lny e li az at m oszf é ra (e zé rt az űrből t anulm ány ozhat ó a le gjobban). d) A m illim é t e rné l k ise bb hullám hosszságú é s a m ik rosugárzást m e g le he t f igy e lni a f öldf e lszínről, f ők é nt m agas é s száraz é ghajlat

ú he gy e k ről. A rádióhullám ok k özül a k özé phullám ú t art om ány ba e sők e t le he t é szle lni a f öldf e lszínről, de a 10 m -né l nagy obb hullám hosszúak at e lny e li a lé gk ör A k é pe t ESA / Hubble / F Granato szíve s hozzájárulásával k özöljük 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 http://www.scienceinschoolorg/print/2663 2/9 2014.813 Ami szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum oxigén és nitrogén-atomok elnyelik. Ez védi meg a földi életet a halálos sugárzásoktól, azonban a csillagászok számára nehézzé teszi az észlelést. A k é pe t ESA szíve s hozzájárulásával k özöljük 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 & PiercePrice, 2010), vagy ballonnal magasra juttatott, illetve űrjárműveken elhelyezett műszerekkel lehet észlelni. A k é pe t ESA szíve s hozzájárulásával k özöljük 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. http://www.scienceinschoolorg/print/2663 3/9 2014.813 Ami szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum 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. Az ESA-ról a Science in School-ban megjelent cikkeket itt találhatják meg: www.scienceinschoolorg/esa 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: A z A ndrom é da-galax ist , a Te jút hoz le gk öze le bb t alálhat ó galax is k é pé t m ut at ja k ülönböző hullám hosszak nál. A f öldi t áv csőv e l a lát hat ó f é ny t art om ány ban k é szít e t t f e lv é t e le n lát szik az a né hány százm illiárd csillag, am e ly f e lé pít i a galax ist . A He rsche l űrt áv csőv e l a t áv oli inf rav örös t art om ány ban k é szít e t t f e lv é t e l f e lt árja azt a (f ők é nt ) gázok ból é s porból álló k e v e ré k e t , am e ly ből az

új csillagok szüle t ne k . A z X MM-Ne wt on űrt áv cső http://www.scienceinschoolorg/print/2663 4/9 2014.813 Ami szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum rönt ge nsugárzást é rzé k e l, így e ze k e n a f e lv é t e le k e n az é le t cik lusuk v é gé n járó csillagok é s a m ár halot t csillagok m aradv ány ai ált al k ibocsát ot t sugárzás lát hat ó Im age s courte sy of R obe rt Ge ndle r (látható fé ny); ESA / He rsche l / PAC S / SPIR E / J Fritz, U Ge nt (infravörös); ESA / XMM-Ne wton / EPIC / W Pie tsch, MPE (röntge nsugár) szíve s hozzájárulásával k özöljük 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: A z O rionk öd, e gy je lle gze t e s “ csillag-bölcső” k é pe k ülönböző hullám hosszak on A k é k k e re t e n be lül az O rion-csillagk é p e gy ré sze lát hat ó, a narancssárga k e re t be n pe dig ré szle t gazdagabban lát szik az O rion-k öd. Enne k a ré giónak , ahol csillagok e zre i jönne k lé t re , a k é pe nagy on e lt é rő az e le k t rom ágne se s spe k t rum k ülönböző t art om ány aiban. A lát

hat ó f é ny t art om ány ban m űk ödő f öldi t áv csőv e l f ők é nt a csillagok lát hat ók , m íg a nagy obb hullám hosszúságú t art om ány (k öze li é s k öze pe s inf rav örös, v alam int m illim é t e rné l k ise bb hullám hosszúságú é s m ik rohullám ú) f ők é nt a hide g gázok é s a por bony olult m int ázat ú k e v e ré k é t t árja f e l, am e ly ből a csillagok szüle t ne k . Ezze l sze m be n, a rönt ge nsugárzás a f iat al, nagy t öm e gű csillagok ált al k ilöv e lt k ülönöse n f orró gázok at m ut at ja m e g Im age s courte sy of ESA / AO ES Me dialab (te lje s k om pozíció); Kosm as Gaze as (látható fé ny, nagy k é p); STScIDSS (látható fé ny, k is k é p); ESA, LFI & HFI C onsortia (m ik rohullám é s m illim é te r alatti); AAAS / Scie nce , ESA XMM-Ne wton é s NASA Spitze r adatok (k öze pe s infravörös é s röntge nsugárzás); NASA, ESA, M R obbe rto (Space Te le scope Scie nce Institute /

ESA) é s Hubble Space Te le scope O rion Tre asury Proje ct Te am (látható é s k öze li infravörös) szíve s hozzájárulásával k özöljük http://www.scienceinschoolorg/print/2663 5/9 2014.813 Ami szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum Pillantás az égre: földi távcsöves csillagászat Az ESA űrteleszkóphoz kiegészítésként használják az European Southern Observatory (ESO)w4. földi távcsöveitA 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. http://www.scienceinschoolorg/print/2663 6/9 2014.813 Ami szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum 5. ábra: az ESA je le nle gi é s jöv őbe li űrszondái, am e ly e k az Univ e rzum ot az EM spe k t rum se gít sé gé v e l k ut at ják . B alról jobbra haladv a: rádió hullám ok , m ik rohullám ok , m m -né l k ise bb hullám hosszúságú sugárzás, inf rav örös, lát hat ó f é ny , ult raiboly a, rönt ge n-é s gam m asugár. A nagy obb m é re t ű v ált ozat é rt k at t int son a k é pre A k é pe t ESA szíve s hozzájárulásával k özöljük 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. Hivatkozások Mignone C, Pierce-Price D (2010) The ALMA Observatory: the sky is only one step away. Science in School 15: 44-49. wwwscienceinschoolorg/2010/issue15/alma Web hivatkozások w1 – Az emberektől eltérően, néhány állat képes arra, hogy érzékelje az UV sugárzást. Ha meg akarja tudni, hogy a University of Bristol, UK kutatói hogyan vizsgálják az UV sugárra érzékeny madarak látását és azt, hogy milyen evolúciós előnyt jelent, ha egy élőlény érzékeli az UV fényt, olvassa el a következő cikket: www.bristolacuk/biology/research/behaviour/vision/4dhtml Pickrell J (2003) Urine vision? How rodents communicate with UV light. (Vizelet vízió? Hogyan kommunikálnak a rágcsálók az UV fény felhasználásával?). National Geographic News. Ld: http://newsnationalgeographiccom vagy használja a közvetlen kapcsolatot:

http://tinyurl.com/urinevision Bats scan the rainforest with UV-eyes. (A denevérek UV szemekkel pásztázzák az esőerdőt). Science Daily Ld: www.sciencedailycom/releases/2003/10/031017073642htm How does a bee perceive flowers? (Hogyan veszi észre egy darázs a virágokat?). Ld.: wwwnaturfotografcom/UV flowers listhtml w2 – További információkat találhat az ESA-ról, ld.: wwwesaint Ha többet akar megtudni az ESA Természettudomány és Robotfejlesztési részlegéről http://www.scienceinschoolorg/print/2663 7/9 2014.813 Ami szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum (Directorate of Science and Robotic Exploration), látogasson ide: www.esaint/esaSC Az ESA-val kapcsolatos további cikkeket talál a Science in School-ban, ld.: www.scienceinschoolorg/esa w3 – Az Androméda-galaxis csodálatos, eddig ismeretlen ‘színeit’ a különböző ESA missziók a teljes EM spektrum vizsgálatával tárták fel. Ld: www.esaint/export/esaSC/SEM5IUYGRMG index

0html 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.esoorg A VLT-ről, az ALMA obszervatóriumokról és az ESO jelenlegi csillagászati kutatásairól további cikkeket talál a Science in School-ban, ld.: wwwscienceinschoolorg/eso w5 – Többet megtudhat az EIROforum-ról, ld: www.eiroforumorg Ajánlott irodalom The Science@ESA vodcastjai megmutatják a Világmindenséget az ESA felvételeinek felhasználásával. Az 1epizód (‘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.esaint/vodcast Többet megtudhat a Föld légköréről, az ózonréteg

szerepéről, és elvékonyodásáról, ld.: Harrison T, Shallcross D (2010) A hole in the sky. Science in School 17: 46-53 www.scienceinschoolorg/2010/issue17/ozone 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://alessiobernardelliwordpresscom) vagy használja a közvetlen kapcsolatot: http://tinyurl.com/42ow4a9 Megtudhatja, hogy hogyan függ az égitest által kibocsátott sugárzás hullámhossza az objektum hőmérsékletétől, ld.: http://sciesaint/jumpcfm?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: wwwesaint/educationmaterials Az ESA minden oktatási tevékenységéről szóló információt

megtalálhatja: www.esaint/education 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 Ismertetés Ebből a cikkből az olvasók az elektromágneses sugárzás eddig kevéssé emlegetett

http://www.scienceinschoolorg/print/2663 8/9 2014.813 Ami szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum 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 A szerkesztő ajánlásai: Fizika, Biológi, Hullámok, Műholdak, Távcsövek, Látás 15 – 16 éves korosztály Science topics Issue 20 Astronomy Physics Hungarian Space science Astronomy and the electromagnetic spectrum ESA ESO Source U RL : http://www.scienceinschoolorg/2011/issue20/em/hungarian

http://www.scienceinschoolorg/print/2663 9/9