Инфракрасная астрономия — это раздел астрономии , который специализируется на наблюдении и анализе астрономических объектов с использованием инфракрасного (ИК) излучения. Длина волны инфракрасного света составляет от 0,75 до 300 микрометров и находится между видимым излучением, которое составляет от 380 до 750 нанометров , и субмиллиметровыми волнами.
Инфракрасная астрономия началась в 1830-х годах, [ нужна цитата ] через несколько десятилетий после открытия инфракрасного света Уильямом Гершелем в 1800 году. [1] Ранний прогресс был ограничен, и только в начале 20-го века были сделаны окончательные обнаружения астрономических объектов, отличных от Солнца и Луны , в инфракрасном свете. [ нужна цитата ] 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. [2]
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, который включает как видимый, так и инфракрасный свет. Обе области также используют твердотельные детекторы, хотя конкретный тип используемых твердотельных фотодетекторов отличается. Инфракрасный свет поглощается на многих длинах волн водяным паром в атмосфере Земли , поэтому большинство инфракрасных телескопов находятся на большой высоте в сухих местах, выше как можно большей части атмосферы. Также были инфракрасные обсерватории в космосе , включая космический телескоп Spitzer , космическую обсерваторию Herschel и совсем недавно космический телескоп James Webb . [3]
Открытие инфракрасного излучения приписывается Уильяму Гершелю, который провел эксперимент в 1800 году, поместив термометр в солнечный свет разных цветов после того, как он прошел через призму . [ 1] Он заметил, что повышение температуры, вызванное солнечным светом, было самым высоким за пределами видимого спектра, сразу за красным цветом. То, что повышение температуры было самым высоким в инфракрасных длинах волн, было обусловлено спектральной реакцией призмы, а не свойствами Солнца, но тот факт, что вообще имело место какое-либо повышение температуры, побудил Гершеля сделать вывод о наличии невидимого излучения от Солнца. Он назвал это излучение «тепловыми лучами» и продолжил показывать, что оно может отражаться, передаваться и поглощаться так же, как видимый свет. [1]
Попытки обнаружить инфракрасное излучение от других астрономических источников предпринимались с 1830-х годов и продолжались в течение всего 19 века. Излучение от Луны было впервые обнаружено в 1856 году Чарльзом Пиацци Смитом , королевским астрономом Шотландии, во время экспедиции на Тенерифе для проверки его идей об астрономии на вершинах гор. Эрнест Фокс Николс использовал модифицированный радиометр Крукса в попытке обнаружить инфракрасное излучение от Арктура и Веги , но Николс посчитал результаты неубедительными. Тем не менее, соотношение потока, которое он сообщил для двух звезд , согласуется с современным значением, поэтому Джордж Рике отдает Николсу должное за первое обнаружение звезды, отличной от нашей, в инфракрасном диапазоне. [2]
Область инфракрасной астрономии продолжала медленно развиваться в начале 20-го века, когда Сет Барнс Николсон и Эдисон Петтит разработали термобатарейные детекторы, способные к точной инфракрасной фотометрии и чувствительные к нескольким сотням звезд. Область в основном игнорировалась традиционными астрономами до 1960-х годов, причем большинство ученых, которые занимались инфракрасной астрономией, на самом деле были обученными физиками . Успех радиоастрономии в 1950-х и 1960-х годах в сочетании с улучшением технологии инфракрасных детекторов побудил больше астрономов обратить на нее внимание, и инфракрасная астрономия прочно утвердилась как подраздел астрономии. [2] [5]
Инфракрасные космические телескопы были введены в эксплуатацию. В 1983 году IRAS провел обзор всего неба. В 1995 году Европейское космическое агентство создало Инфракрасную космическую обсерваторию . До того, как в 1998 году на этом спутнике закончился жидкий гелий , он обнаружил протозвезды и воду в нашей Вселенной (даже на Сатурне и Уране). [6]
25 августа 2003 года НАСА запустило космический телескоп Spitzer , ранее известный как Space Infrared Telescope Facility. В 2009 году телескоп исчерпал запас жидкого гелия и утратил способность видеть в дальнем инфракрасном диапазоне . Он открыл звезды, туманность Double Helix и свет от экзопланет . 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 ясли. Инфракрасные телескопы открыли для нас совершенно новую часть галактики. Они также полезны для наблюдения за чрезвычайно далекими объектами, такими как квазары . Квазары удаляются от Земли. Результирующее большое красное смещение делает их сложными целями для оптического телескопа. Инфракрасные телескопы дают гораздо больше информации о них.
В мае 2008 года группа международных инфракрасных астрономов доказала, что межгалактическая пыль значительно затемняет свет далеких галактик. На самом деле галактики почти вдвое ярче, чем кажутся. Пыль поглощает большую часть видимого света и переизлучает 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 были открыты многие квазары, звезды и галактики). По этой причине ближняя инфракрасная область спектра обычно включается как часть «оптического» спектра, наряду с ближним ультрафиолетом. Многие оптические телескопы , такие как в обсерватории Кека , эффективно работают как в ближнем инфракрасном, так и в видимом диапазоне длин волн. Дальний инфракрасный диапазон простирается до субмиллиметровых длин волн , которые наблюдаются телескопами, такими 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 обзорами 2MASS и WISE, оказались особенно эффективными в обнаружении ранее не обнаруженных звездных скоплений . [9] [10] Примерами таких встроенных звездных скоплений являются FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30 и Majaess 99. [11] [12] [13] Инфракрасные телескопы, которые включают в себя 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 на инфракрасных длинах волн. Если бы инфракрасные детекторы не охлаждались, излучение самого детектора вносило бы шум, который затмил бы излучение от 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, составляющих Очень Большой Телескоп- Интерферометр, могут достигать высокого углового разрешения.
Основным ограничением инфракрасной чувствительности 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 выше большей части 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 регионы высокогорных ледяных пустынь, такие как Купол C в Антарктиде . Даже на больших высотах прозрачность земной атмосферы ограничена, за исключением инфракрасных окон или длин волн, где атмосфера Земли прозрачна. [14] Основные инфракрасные окна перечислены ниже:
Как и в случае с телескопами видимого света, космос является идеальным местом для инфракрасных телескопов. Телескопы в космосе могут достигать более высокого разрешения, поскольку они не страдают от размытия, вызванного атмосферой Земли, а также свободны от поглощения инфракрасного излучения, вызванного атмосферой Земли. Текущие инфракрасные телескопы в космосе включают космическую обсерваторию Гершеля , космический телескоп Спитцера , широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь и космический телескоп Джеймса Уэбба . Поскольку вывод телескопов на орбиту стоит дорого, существуют также воздушные обсерватории , такие как Стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии и Воздушная обсерватория Койпера . Эти обсерватории летают над большей частью, но не над всей атмосферой, и водяной пар в атмосфере поглощает часть инфракрасного света из космоса.
Одной из наиболее распространенных матриц инфракрасных детекторов, используемых в исследовательских телескопах, является матрица HgCdTe . Она хорошо работает в диапазоне длин волн от 0,6 до 5 микрометров. Для наблюдений с более длинными волнами или более высокой чувствительности могут использоваться другие детекторы, включая другие узкощелевые полупроводниковые детекторы, матрицы низкотемпературных болометров или матрицы сверхпроводящих туннельных переходов для подсчета фотонов .
К особым требованиям инфракрасной астрономии относятся: очень низкие темновые токи, обеспечивающие длительное время интеграции, соответствующие схемы считывания с низким уровнем шума и иногда очень большое количество пикселей .
Низкая температура часто достигается с помощью охладителя, который может закончиться. [15] Космические миссии либо заканчивались, либо переходили к «теплым» наблюдениям, когда запас охладителя заканчивался. [15] Например, у WISE охладитель закончился в октябре 2010 года, примерно через десять месяцев после запуска. [15] (См. также NICMOS , космический телескоп Spitzer)
Многие космические телескопы обнаруживают электромагнитное излучение в диапазоне длин волн, который перекрывается, по крайней мере, в некоторой степени с инфракрасным диапазоном длин волн. Поэтому трудно определить, какие космические телескопы являются инфракрасными телескопами. Здесь определение «инфракрасный космический телескоп» берется как космический телескоп, главной задачей которого является обнаружение инфракрасного света.
Восемь инфракрасных космических телескопов работали в космосе. Это:
Кроме того, SPHEREx — это телескоп, запуск которого запланирован на 2025 год. [16] НАСА также планирует запустить космический телескоп Нэнси Грейс Роман (NGRST), первоначально известный как широкоугольный инфракрасный космический телескоп (WFIRST), в 2027 году. [17]
В космосе эксплуатировались многие другие меньшие космические миссии и космические детекторы инфракрасного излучения. К ним относится инфракрасный телескоп (IRT), который летал с шаттлом .
Астрономический спутник субмиллиметрового диапазона (SWAS) иногда упоминается как инфракрасный спутник, хотя он является субмиллиметровым спутником.
Для многих космических телескопов только некоторые из инструментов способны к инфракрасному наблюдению. Ниже перечислены некоторые из наиболее известных из этих космических обсерваторий и инструментов:
Для изучения неба в инфракрасном диапазоне использовались три обсерватории на базе самолетов (другие самолеты также иногда использовались для проведения инфракрасных космических исследований). Это:
В мире существует множество наземных инфракрасных телескопов. Самые крупные из них:
