Инфракрасная астрономия — это раздел астрономии , который специализируется на наблюдении и анализе астрономических объектов с использованием инфракрасного (ИК) излучения. Длина волны инфракрасного света колеблется от 0,75 до 300 микрометров и находится между видимым излучением (от 380 до 750 нанометров ) и субмиллиметровыми волнами.
Инфракрасная астрономия началась в 1830-х годах, через несколько десятилетий после открытия инфракрасного света Уильямом Гершелем в 1800 году. Ранний прогресс был ограниченным, и только в начале 20-го века были сделаны убедительные открытия астрономических объектов, помимо Солнца и Луны . в инфракрасном свете. После того, как в 1950-х и 1960-х годах был сделан ряд открытий в радиоастрономии , астрономы осознали, что информация доступна за пределами видимого диапазона длин волн, и была создана современная инфракрасная астрономия.
Инфракрасная и оптическая астрономия часто практикуются с использованием одних и тех же телескопов , поскольку одни и те же зеркала или линзы обычно эффективны в диапазоне длин волн, включающем как видимый, так и инфракрасный свет. В обеих областях также используются твердотельные детекторы, хотя конкретные типы используемых твердотельных фотодетекторов различны. Инфракрасный свет на многих длинах волн поглощается водяным паром в атмосфере Земли , поэтому большинство инфракрасных телескопов расположены на больших высотах в сухих местах, над как можно большей частью атмосферы. В космосе также существовали инфракрасные обсерватории , в том числе космический телескоп «Спитцер» , космическая обсерватория «Гершель» , а в последнее время — космический телескоп «Джеймс Уэбб» .
Открытие инфракрасного излучения приписывают Уильяму Гершелю, который в 1800 году провел эксперимент, в котором он поместил термометр в солнечный свет разных цветов после того, как он прошел через призму . Он заметил, что повышение температуры, вызванное солнечным светом, было самым высоким за пределами видимого спектра, сразу за красным цветом. То, что повышение температуры было наибольшим на инфракрасных длинах волн, было связано со спектральной реакцией призмы, а не со свойствами Солнца, но тот факт, что вообще имело место какое-либо повышение температуры, побудил Гершеля сделать вывод о наличии невидимого излучения Солнца. Он назвал это излучение «тепловыми лучами» и показал, что оно может отражаться, передаваться и поглощаться точно так же, как видимый свет. [1]
Начиная с 1830-х годов и вплоть до XIX века предпринимались попытки обнаружить инфракрасное излучение от других астрономических источников. Излучение Луны было впервые обнаружено в 1856 году Чарльзом Пьяцци Смитом , королевским астрономом Шотландии, во время экспедиции на Тенерифе с целью проверить свои идеи об астрономии горных вершин. Эрнест Фокс Николс использовал модифицированный радиометр Крукса в попытке обнаружить инфракрасное излучение Арктура и Веги , но Николс посчитал результаты неубедительными. Несмотря на это, соотношение потоков, о котором он сообщил для двух звезд , соответствует современному значению, поэтому Джордж Рике отдает должное Николсу за первое обнаружение звезды, отличной от нашей, в инфракрасном диапазоне. [3]
Область инфракрасной астрономии продолжала медленно развиваться в начале 20 века, когда Сет Барнс Николсон и Эдисон Петтит разработали детекторы на термобатареях , способные проводить точную инфракрасную фотометрию и чувствительные к нескольким сотням звезд. Эта область в основном игнорировалась традиционными астрономами до 1960-х годов, при этом большинство ученых, занимавшихся инфракрасной астрономией, на самом деле были физиками по образованию . Успех радиоастрономии в 1950-х и 1960-х годах в сочетании с усовершенствованием технологии инфракрасных детекторов побудил больше астрономов обратить на это внимание, и инфракрасная астрономия прочно утвердилась как раздел астрономии. [3] [4]
На вооружение поступили инфракрасные космические телескопы . В 1983 году IRAS провел обзор всего неба. В 1995 году Европейское космическое агентство создало Инфракрасную космическую обсерваторию . Прежде чем в 1998 году у этого спутника закончился жидкий гелий , он обнаружил в нашей Вселенной протозвезды и воду (даже на Сатурне и Уране). [5]
25 августа 2003 года НАСА запустило космический телескоп «Спитцер» , ранее известный как «Космический инфракрасный телескоп». В 2009 году в телескопе закончился жидкий гелий, и он потерял способность видеть дальнюю инфракрасную область . Он обнаружил звезды, туманность Двойная спираль и свет от внесолнечных планет . Он продолжал работать в диапазонах 3,6 и 4,5 микрометра. С тех пор другие инфракрасные телескопы помогли найти новые формирующиеся звезды, туманности и звездные питомники. Инфракрасные телескопы открыли для нас совершенно новую часть галактики. Они также полезны для наблюдения очень далеких объектов, таких как квазары . Квазары удаляются от Земли. В результате большое красное смещение делает их трудной целью для оптического телескопа. Инфракрасные телескопы дают о них гораздо больше информации.
В мае 2008 года группа международных инфракрасных астрономов доказала, что межгалактическая пыль сильно затемняет свет далеких галактик. На самом деле галактики почти в два раза ярче, чем кажутся. Пыль поглощает большую часть видимого света и повторно излучает его в виде инфракрасного света.
Инфракрасное излучение с длиной волны чуть длиннее видимого света, известное как ближнее инфракрасное, ведет себя очень похоже на видимый свет и может быть обнаружено с помощью аналогичных твердотельных устройств (благодаря этому было открыто множество квазаров, звезд и галактик). . По этой причине ближняя инфракрасная область спектра обычно включается в «оптический» спектр наряду с ближним ультрафиолетом. Многие оптические телескопы , например, в обсерватории Кека , эффективно работают как в ближнем инфракрасном, так и в видимом диапазоне волн. Дальний инфракрасный диапазон простирается до субмиллиметровых волн , которые наблюдаются такими телескопами, как телескоп Джеймса Клерка Максвелла в обсерватории Мауна-Кеа .
Как и все другие формы электромагнитного излучения , инфракрасное излучение используется астрономами для изучения Вселенной . Действительно, инфракрасные измерения, проведенные астрономическими исследованиями 2MASS и WISE , оказались особенно эффективными для обнаружения ранее не открытых звездных скоплений . [8] [9] Примерами таких встроенных звездных скоплений являются FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30 и Majaess 99. [10] [11] [12] Инфракрасные телескопы, в которые входят большинство основных оптических телескопов. а также несколько специализированных инфракрасных телескопов необходимо охлаждать жидким азотом и защищать от теплых объектов. Причина этого в том, что объекты с температурой в несколько сотен Кельвинов излучают большую часть своей тепловой энергии в инфракрасном диапазоне. Если бы инфракрасные детекторы не охлаждались, излучение самого детектора создавало бы шум, который затмил бы излучение любого небесного источника. Это особенно важно в средней и дальней инфракрасной областях спектра.
Для достижения более высокого углового разрешения некоторые инфракрасные телескопы объединяются в астрономические интерферометры . Эффективное разрешение интерферометра определяется расстоянием между телескопами, а не размером отдельных телескопов. При использовании вместе с адаптивной оптикой инфракрасные интерферометры, такие как два 10-метровых телескопа в обсерватории Кека или четыре 8,2-метровых телескопа, входящих в состав Очень большого телескопа- интерферометра, могут достигать высокого углового разрешения.
Основным ограничением чувствительности к инфракрасному излучению наземных телескопов является атмосфера Земли. Водяной пар поглощает значительное количество инфракрасного излучения, а сама атмосфера излучает инфракрасные волны. По этой причине большинство инфракрасных телескопов строятся в очень сухих местах на большой высоте, так что они находятся над большей частью водяного пара в атмосфере. Подходящие места на Земле включают обсерваторию Мауна-Кеа на высоте 4205 метров над уровнем моря, обсерваторию Паранал на высоте 2635 метров в Чили и районы высокогорной ледяной пустыни, такие как Купол C в Антарктике . Даже на больших высотах прозрачность атмосферы Земли ограничена, за исключением инфракрасных окон или длин волн, где атмосфера Земли прозрачна. [13] Основные инфракрасные окна перечислены ниже:
Как и в случае с телескопами видимого света, космос — идеальное место для инфракрасных телескопов. Телескопы в космосе могут достигать более высокого разрешения, поскольку они не страдают от размытия изображения , вызванного земной атмосферой, а также лишены поглощения инфракрасного излучения, вызванного земной атмосферой. Современные инфракрасные телескопы в космосе включают космическую обсерваторию Гершеля , космический телескоп Спитцер , широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь и космический телескоп Джеймса Уэбба . Поскольку вывод телескопов на орбиту обходится дорого, существуют также воздушные обсерватории , такие как Стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии и Воздушная обсерватория Койпера . Эти обсерватории пролетают над большей частью атмосферы, но не над всей, а водяной пар в атмосфере поглощает часть инфракрасного света из космоса.
Одной из наиболее распространенных матриц инфракрасных детекторов, используемых в исследовательских телескопах, являются матрицы HgCdTe . Они хорошо работают в диапазоне длин волн от 0,6 до 5 микрометров. Для наблюдений на более длинных волнах или более высокой чувствительности могут использоваться другие детекторы, в том числе другие узкозонные полупроводниковые детекторы, низкотемпературные болометрические матрицы или сверхпроводящие туннельные переходы для счета фотонов .
Особые требования для инфракрасной астрономии включают: очень низкие темновые токи, обеспечивающие длительное время интегрирования, соответствующие схемы считывания с низким уровнем шума и иногда очень большое количество пикселей .
Низкая температура часто достигается за счет охлаждающей жидкости, которая может закончиться. [14] Космические миссии либо прекращались, либо переходили к «теплым» наблюдениям, когда заканчивался запас теплоносителя. [14] Например, в системе WISE закончилась охлаждающая жидкость в октябре 2010 года, примерно через десять месяцев после запуска. [14] (См. также NICMOS , космический телескоп Спитцер)
Многие космические телескопы обнаруживают электромагнитное излучение в диапазоне длин волн, который хотя бы в некоторой степени перекрывается с диапазоном длин волн инфракрасного диапазона. Поэтому трудно определить, какие космические телескопы являются инфракрасными телескопами. Здесь под определением «инфракрасный космический телескоп» понимается космический телескоп, основной задачей которого является обнаружение инфракрасного света.
В космосе работали восемь инфракрасных космических телескопов. Они есть:
Кроме того, SPHEREx — это телескоп, запуск которого запланирован на 2025 год. [16] НАСА также планирует запустить в 2027 году Римский космический телескоп Нэнси Грейс (NGRST), первоначально известный как Широкоугольный инфракрасный космический телескоп (WFIRST). [17] ]
В космосе эксплуатировалось множество других небольших космических миссий и космических детекторов инфракрасного излучения. К ним относится инфракрасный телескоп (ИРТ), который летал вместе с космическим шаттлом .
Астрономический спутник субмиллиметрового диапазона волн (SWAS) иногда называют инфракрасным спутником, хотя это спутник субмиллиметрового диапазона.
Во многих космических телескопах только некоторые инструменты способны вести инфракрасное наблюдение. Ниже перечислены некоторые из наиболее известных из этих космических обсерваторий и инструментов:
Для изучения неба в инфракрасном диапазоне использовались три авиационные обсерватории (иногда использовались и другие самолеты для проведения космических исследований в инфракрасном диапазоне). Они есть:
Во всем мире существует множество наземных инфракрасных телескопов. Самыми крупными являются:
