가시광선 너머의 천문학

Beatriz García, Ricardo Moreno

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International Astronomical Union

ITeDA and Universidad Tecnológica Nacional, Argentina

Colegio Retamar de Madrid, Spain

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목표

• 가시광선 너머의 현상을 본다. 예, 인간의 눈으로는 검출되지 않지만 천체가 방출하는 전자기파.
• 전파, 적외선, 자외선, X-선 파장영역의 방출선의 존재를 검출하는 간단한 실험 몇가지를 실행한다.

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발표

• 수세기 동안, 인간은 눈으로 검출 되는 빛만으로 우주를 연구해 왔다.
• 우리 눈이 볼 수없는 파장의 전자기파로 정보를 얻을 수 있다.
• 오늘날 천문학자는 가시광선뿐만 아니라 전파, 적외선, 자외선, X-선으로 관측한다.

전자기파 스펙트럼

전자기복사의 모든 파장 영역

흑체복사

온도가 높은 (열이 높은) “흑체”는 모두 많은 파장에서 빛을 방출.

에너지가 가장 높을때의 파장 λ_max.

λ_max 는 온도의 함수 T:

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빈의 법칙

빈의 법칙

멀리 있는 천체의 복사를 연구하면, 온도계를 가지고 가지 않아도 온도를 측정할 수 있음. 별은 흑체라고 간주한다.

태양 복사

다른 에너지 영역의 창문

지구 대기는 대부분 파장영역에서 불투명하다. 특별한 검출기를 사용해야만 지구 밖 우주로부터 오는 높은 에너지와 낮은 에너지의 빛을 검출할 수 있다.

태양 전자기파가 지구 대기를 통과할 때, “흑체“ 복사는 변하지만, 최대 세기의 파장 λ_max 은 변하지 않는다.

야간 투시경은 이 최대 파장 λ_máx.

복사나 방출이 최대가 되는 파장 λ_max 는 온도 T와 관계가 있지만, 이 최대 파장이 꼭 가시광선이 아닐 수 있다는 것을 알고 있다.

예를 들어, 인간의 신체의 온도는 T = 273+37 = 310 K.

그렇다면 최대 파장은 λ_máx = 9300 nm.

활동 1: 분광기 만들기

DVD 조각이나 CD 조각중에 가지고 있는 것을 사용한다. 견본의 뚫린 부분에 맞게 DVD나 CD 조각으로 자른다.

활동 1: 분광기 만들기

Remove the metal layer of the CD using tape or scratching it.

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NB! The coating will not peel off white or commercial CDs.

Activity 1: Building a spectrometer

검게 칠한 부분이 안쪽으로 가도록 접는다.

필라멘트 램프, 형광등, 가로등의 스펙트럼을 비교한다.

활동 1: 분광기 만들기

활동 2: 물방울로 태양빛을 분산

아이들은 태양빛을 분산시켜 무지개를 만들 수 있다.

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물 호스와 스프레이가 필요하다. 태양이 등 뒤에 위치하도록 선다.

스펙트럼의 다른 영역

• 별보다 훨씬 낮은 온도를 가진 물질이 있다. 예를 들어, 성간물질로 이루어진 성운
• 가시광선영역에서 빛을 내지는 않지만, 적외선이나 전파에서 빛을 방출한다.
• 복사의 방식은 물체의 내부에서 일어나는 과정과 연관이 있다. 예, 우리은하 중심의 구체적인 모습 (The type of radiation is associated with the processes that are occurring inside the object. E.g., details in the centre of our galaxy ...)

적외선 복사

• 윌리엄 허셸(William Hersche)은 프리즘과 온도계를 이용하여 적외선을 발견했다.
• 가시광선을 낼 정도로 온도가 높지 않은 따듯한 물체의 특징이다.
• 이러한 복사를 강조하자면, 온도와 색은 동등한 관계로 나타낸다.

활동 3: 허셀의 실험

• 1800년에, 허셀은 에, 태양빛이 적외선을 방출한다는 것을 발견했다.

활동 3: 허셀 실험

SPECTRUM THERMOMETERS

PRISM

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PRISM

BOX

THERMOMETERS

In the spectrum

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A little beyond the red

RED

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YELLOW

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BLUE

SUN

활동 3: 허셀 실험

활동 3: 허셀 실험

활동 4: 핸드폰으로 적외선 검출

• 리모콘은 적외선을 방출하지만 우리 눈으로는 볼 수 없다.
• 모든 핸드폰은 아니지만 대부분의 핸드폰은 적외선에 반응한다.

적외선의 능력

• 성간 먼지들은 가시광선을 흡수하지만, 적외선은 덜 흡수한다.

활동 5: 전구의 IR 빛 검출

• 백열등이 내는 대부분의 에너지는 가시광선 영역이지만, 적외선도 방출한다. 어떤 천은 가시광선은 투과시키지 않지만 적외선은 투과시킨다.
• 은하의 먼지들에도 같은 현상이 일어나는데, 적외선 방출은 검출 가능하지만, 가시광선 영역은 안 보인다 (불투명하다).

활동 6: IR LEDs로 별자리 만들기

IR LEDs로 만든 카시오페이아 별자리

Resistance between 100 and 500 Ω

활동 7: 리모트컨트롤로 보이는 별자리

전파 방출

• 전파는 파장이 미터에서부터 킬로미터에 이른다.
• 보통 방송국에서 사용하는 주파수다.
• 우주에서도 전파 가 오는데, 다른 파장에서 볼 수 없는 정보를 알 수 있다.

활동 8: 라디오파 만들기

자외선

• UV 광자는 가시광선의 광자보다 더 큰 에너지를 갖는다.
• UV 는 유기물의 화학결합을 파괴한다.
• 강한 UV 는 생명에 치명적이다.
• UV-C 전자기파는 대기의 오존층에 의해서 제거된다.

조안 리터(Johann Ritter)는 1801년에 UV를 발견했다.

자외선 복사

• 태양은 UV복사를 방출하지만, 대부분은 지구의 상층대기에 의해 걸러진다; 생명에 유익한 양이 지표면으로 도달한다.
• 이 복사는 피부를 거무스름하게 한다.
• 오존층 두께가 작아지면, 지구는 더 많은 양의 UV 를 받게 되고, 피부암이 증가할 것이다.

자외선 빛

가시광선 파장의 안드로메다 은하 (허블)

자외선으로 본 안드로메다 은하 (스위프트))

활동 9: 어두운 빛 (UV)

• 지폐 및 신분증 위조 탐지기

활동 10: UV 복사 필터링

• 검은색 등(전구)는 위조지폐 탐지기
• 형광 물질 (UV 빛에 반응).
• 일반 유리와 안경 (플라스틱이고, 유기 유리 (organics glasses) 는 사용하지 않음) : 유리는 UV를 차단하고, 플라스틱은 그렇지 않음.

백색광 조명을 비춘 형광물질과 안경

UV 빛을 쪼인 같은 물질과 안경

형광물질에 남은 안경의 그림자

활동 10: UV 복사 필터링

• 오존층은 UV (UV + O₂ = O₃)에 의해 생성되고 동시에 이 복사를 걸러냅니다. 생명이 존재하기 위해 적절이 균형이 맞춰지죠.

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• 유리는 UV를 차단합니다. 그래서 유리창을 통해 피부를 태닝시키는 것은 어렵습니다. 플라스틱은 UV를 잘 걸러내지 못합니다.

망막 손상을 방지하려면 특별한 선글라스를 사용하는 것이 중요! (UV 필터 포함

X-선

• X-선 복사는 UV 보다 에너지가 더 큼.

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• 방사선 사진 및 기타 의료 영상 기술에 사용됨.

X-선

• 우주에서 X-선 복사는 고에너지 현상과 항성 충돌, 블랙홀의 특징

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• 찬드라 우주 망원경의 임무는 이러한 현상이나 천체를 감지하고 모니터링 하는 것

UV보다 더 큰 에너지

감마선

• 가장 강한 에너지 복사
• 지구에서는 대부분 방사성 원소에 의해서 방출됨
• X-선과 마찬가지로 감마선도 의학, 영상 검사, 암과 같은 질병을 치료하는 치료법에 사용

감마선

• 감마선의 격렬한 분출은 하늘에서 가끔 나타난다.
• 몇 초 지속되는 것부터 수시간 지속되는 것까지 다양하다. 어떤 천체가 이 복사를 내는지 정확한 위치를 파악하는 것이 문제다.
• 천문학자들은 쌍성의 충돌과 관련 있을 것이라 여기며, 그 결과 블랙홀이 생성될 수 있다.

Fermi's Five-year View of the Gamma-ray Sky

의학에서 EM 방사선의 사용

X-선의 사용

• 암과 같은 질병을 치료하기 위한 영상 검사. 양전자 방출 단층 촬영 (PET 스캔)

감마선의 사용

라디오파의 사용

• 자기공명, 연한 조직 진단

MRI Normal knee

MRI Human heart

CAT Normal knee

X-ray

• 방사선 사진 및 컴퓨터 단층촬영 (CAT 스캔)

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