Инфракрасная астрономия - Infrared astronomy

Туманность Киля в инфракрасном свете, захваченном Хаббл Широкоугольная камера 3.

Инфракрасная астрономия это филиал астрономия и астрофизика что изучает астрономические объекты виден в инфракрасный (ИК) излучение. В длина волны инфракрасного света от 0,75 до 300 мкм. Инфракрасный находится между видимый радиация, которая колеблется от 380 до 750 нанометры, и субмиллиметр волны.

Инфракрасная астрономия началась в 1830-х годах, через несколько десятилетий после открытия инфракрасного света. Уильям Гершель в 1800 году. Ранний прогресс был ограниченным, и только в начале 20 века убедительные открытия других астрономических объектов, кроме солнце и Луна были выполнены в инфракрасном свете. После ряда открытий, сделанных в 1950-1960-х гг. радиоастрономия, астрономы осознал информацию, доступную за пределами видимого диапазона длин волн, и была создана современная инфракрасная астрономия.

Инфракрасный и оптическая астрономия часто практикуются с использованием тех же телескопы, как то же зеркала или же линзы обычно эффективны в диапазоне длин волн, который включает как видимый, так и инфракрасный свет. Оба поля также используют твердое состояние детекторы, хотя конкретный тип твердотельных фотоприемники б / у разные. Инфракрасный свет поглощен на многих длинах волн водяным паром в Атмосфера Земли, поэтому большинство инфракрасных телескопов находятся на большой высоте в сухих местах, над максимально возможной частью атмосферы. В космосе также есть инфракрасные обсерватории, в том числе Космический телескоп Спитцера и Космическая обсерватория Гершеля.

История

Новаторский спутник Хаббла NICMOS в ближнем инфракрасном диапазоне
СОФИЯ - инфракрасный телескоп в самолете, показанный здесь в ходе испытаний 2009 года.

Открытие инфракрасного излучения приписывают Уильяму Гершелю, который в 1800 году провел эксперимент, в котором он поместил термометр на солнечный свет разных цветов после того, как он прошел через призма. Он заметил, что повышение температуры, вызванное солнечным светом, было самым большим. за пределами видимый спектр, сразу за красным цветом. То, что повышение температуры было самым высоким в инфракрасных длинах волн, было связано с спектральным откликом призмы, а не со свойствами Солнца, но тот факт, что вообще было какое-либо повышение температуры, побудил Гершеля сделать вывод, что существует невидимое излучение от Солнца. Он назвал это излучение «тепловыми лучами» и показал, что оно может отражаться, проходить и поглощаться так же, как видимый свет.[1]

Высоко на плато Чаджнантор Большая миллиметровая матрица Atacama представляет собой исключительное место для инфракрасной астрономии.[2]

Начиная с 1830-х годов и продолжаясь в течение 19 века, предпринимались попытки обнаружить инфракрасное излучение от других астрономических источников. Излучение Луны было впервые обнаружено в 1856 году Чарльзом Пиацци Смитом, королевским астрономом Шотландии, во время экспедиции на Тенерифе, чтобы проверить свои идеи об астрономии на вершинах гор. Эрнест Фокс Николс использовал модифицированный Радиометр Крукса в попытке обнаружить инфракрасное излучение от Арктур и Вега, но Николс посчитал результаты неубедительными. Тем не менее, соотношение потоков, которые он сообщил для двух звезды соответствует современным ценностям, поэтому Джордж Рике дает Николсу заслугу в первом обнаружении звезды, отличной от нашей, в инфракрасном диапазоне.[3]

Область инфракрасной астрономии продолжала медленно развиваться в начале 20 века, так как Сет Барнс Николсон и Эдисон Петтит развитый термобатарея детекторы, способные к точному инфракрасному фотометрия и чувствителен к нескольким сотням звезд. Традиционные астрономы в основном пренебрегали этой областью, хотя до 1960-х годов большинство ученых, которые практиковали инфракрасную астрономию, фактически прошли подготовку. физики. Успех радиоастрономии в 1950-х и 1960-х годах в сочетании с усовершенствованием технологии инфракрасных детекторов побудил большее количество астрономов обратить на это внимание, и инфракрасная астрономия прочно вошла в область астрономии.[3][4]

Инфракрасный космические телескопы поступил на вооружение. В 1983 г. IRAS сделал обзор неба. В 1995 году Европейское космическое агентство создало Инфракрасная космическая обсерватория. В 1998 году на этом спутнике закончился жидкий гелий. Однако до этого он обнаружил протозвезды и воду в нашей Вселенной (даже на Сатурне и Уране).[5]

25 августа 2003 года НАСА запустило Космический телескоп Спитцера, ранее известный как Космический инфракрасный телескоп. В 2009 году в телескопе закончился жидкий гелий, и он потерял способность видеть. дальний инфракрасный. Он обнаружил звезды, туманность Двойная спираль и свет от внесолнечные планеты. Он продолжал работать в диапазонах 3,6 и 4,5 мкм. С тех пор другие инфракрасные телескопы помогли обнаружить новые формирующиеся звезды, туманности и звездные ясли. Инфракрасные телескопы открыли для нас совершенно новую часть галактики. Они также полезны для наблюдения за очень далекими объектами, такими как квазары. Квазары удаляются от Земли. Получающееся в результате большое красное смещение делает их трудными целями для оптического телескопа. Инфракрасные телескопы дают о них гораздо больше информации.

В мае 2008 года группа международных инфракрасных астрономов доказала, что межгалактическая пыль сильно тускнеет свет далеких галактик. На самом деле галактики почти в два раза ярче, чем кажутся. Пыль поглощает большую часть видимого света и повторно излучает его как инфракрасный свет.[6]

Современная инфракрасная астрономия

Хаббл инфракрасный вид Туманность Тарантул.[7]

Инфракрасное излучение с длинами волн чуть больше, чем видимый свет, известное как ближний инфракрасный свет, ведет себя очень похоже на видимый свет и может быть обнаружено с помощью аналогичных твердотельных устройств (из-за этого было обнаружено множество квазаров, звезд и галактик) . По этой причине ближняя инфракрасная область спектра обычно включается как часть «оптического» спектра вместе с ближней ультрафиолетовой. Много оптические телескопы, например, в Обсерватория Кека, эффективно работают как в ближнем инфракрасном, так и в видимом диапазоне длин волн. Дальний инфракрасный диапазон распространяется на субмиллиметровые длины волн, которые наблюдаются телескопами, такими как Джеймс Клерк Максвелл телескоп в Обсерватория Мауна-Кеа.

Художественное впечатление о галактике W2246-0526, одиночная галактика, светящаяся в инфракрасном свете так же интенсивно, как 350 триллионов Солнц.[8]

Как и все другие формы электромагнитное излучение, инфракрасное излучение используется астрономами для изучения вселенная. Действительно, инфракрасные измерения, сделанные 2МАССА и МУДРЫЙ астрономические исследования оказались особенно эффективными в обнаружении ранее неоткрытых звездные скопления.[9][10] Примерами таких встроенных звездных скоплений являются FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30 и Majaess 99.[11][12] Инфракрасные телескопы, в том числе большинство основных оптических телескопов, а также несколько специализированных инфракрасных телескопов, нуждаются в охлаждении. жидкий азот и защищен от теплых предметов. Причина в том, что объекты с температурой в несколько сотен кельвины испускают большую часть своих тепловой энергия на инфракрасных длинах волн. Если бы инфракрасные детекторы не охлаждались, излучение самого детектора могло бы внести шум, который затмил бы излучение любого небесного источника. Это особенно важно в средней и дальней инфракрасной областях спектра.

Чтобы достичь более высокого угловое разрешение, некоторые инфракрасные телескопы объединены в астрономические интерферометры. Эффективное разрешение интерферометра определяется расстоянием между телескопами, а не размером отдельных телескопов. При использовании вместе с адаптивная оптика, инфракрасные интерферометры, такие как два 10-метровых телескопа в обсерватории Кек или четыре 8,2-метровых телескопа, составляющих Очень большой телескоп Интерферометр позволяет добиться высокого углового разрешения.

Атмосферные окна в инфракрасном диапазоне.

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 устанавливаются в очень сухих местах на большой высоте, так что они находятся над большей частью водяного пара в атмосфере. Подходящие места на Земле включают Обсерватория Мауна-Кеа на высоте 4205 метров над уровнем моря Обсерватория Паранал на высоте 2635 метров в Чили и районы высокогорной ледяной пустыни, такие как Купол C в Антарктика. Даже на больших высотах прозрачность атмосферы Земли ограничена, за исключением инфракрасные окна, или длины волн, при которых атмосфера Земли прозрачна.[13] Основные инфракрасные окна перечислены ниже:

СпектрДлина волны
(микрометры )		Астрономический
группы		Телескопы
Ближний инфракрасный0,65 до 1,0R и I группыВсе основные оптические телескопы
Ближний инфракрасный1,1 к 1,4Группа JБольшинство основных оптических телескопов и большинство специализированных инфракрасных телескопов
Ближний инфракрасныйОт 1,5 до 1,8Группа HБольшинство основных оптических телескопов и большинство специализированных инфракрасных телескопов
Ближний инфракрасныйОт 2,0 до 2,4Группа KБольшинство основных оптических телескопов и большинство специализированных инфракрасных телескопов
Ближний инфракрасныйОт 3,0 до 4,0L группаБольшинство специализированных инфракрасных телескопов и некоторые оптические телескопы
Ближний инфракрасныйОт 4,6 до 5,0Группа MБольшинство специализированных инфракрасных телескопов и некоторые оптические телескопы
Средний инфракрасныйОт 7,5 до 14,5Группа NБольшинство специализированных инфракрасных телескопов и некоторые оптические телескопы
Средний инфракрасный17–25Q диапазонНекоторые специализированные инфракрасные телескопы и некоторые оптические телескопы
Дальний инфракрасныйОт 28 до 40Z группаНекоторые специализированные инфракрасные телескопы и некоторые оптические телескопы
Дальний инфракрасный330–370Некоторые специализированные инфракрасные телескопы и некоторые оптические телескопы
Дальний инфракрасный450субмиллиметрСубмиллиметровые телескопы

Как и в случае с телескопами видимого света, космос - идеальное место для инфракрасных телескопов. В космосе изображения с инфракрасных телескопов могут достигать более высокого разрешения, поскольку они не страдают от размытие вызваны атмосферой Земли, а также свободны от поглощения, вызванного атмосферой Земли. Современные инфракрасные телескопы в космосе включают Космическую обсерваторию Гершеля, Космический телескоп Спитцера и Широкопольный инфракрасный обозреватель. Поскольку вывод телескопов на орбиту обходится дорого, существуют также воздушные обсерватории, такие как Стратосферная обсерватория для инфракрасной астрономии и Воздушная обсерватория Койпера. Эти обсерватории размещают телескопы над большей частью, но не над всей атмосферой, что означает, что инфракрасный свет из космоса поглощается водяным паром в атмосфере.

СОФИЯ наука - остаток сверхновой ejecta производит планетообразующий материал.

Инфракрасная технология

Одна из наиболее распространенных решеток инфракрасных детекторов, используемых в исследовательских телескопах, - это HgCdTe массивы. 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 узкозонный полупроводник детекторы, низкие температуры болометр массивы или счет фотонов Сверхпроводящий Массивы туннельных переходов.

К особым требованиям для инфракрасной астрономии относятся: очень низкие темновые токи, обеспечивающие длительное время интегрирования, связанный с этим низкий уровень шума схемы считывания а иногда очень высокий пиксель подсчитывает.

Низкая температура часто достигается за счет охлаждающей жидкости, которая может вытечь.[14] Космические миссии либо закончились, либо перешли к «теплым» наблюдениям, когда запас теплоносителя исчерпан.[14] Например, МУДРЫЙ закончилась охлаждающая жидкость в октябре 2010 года, примерно через десять месяцев после запуска.[14] (Смотрите также НИКМОС, Космический телескоп Spitzer)

Обсерватории

Космические обсерватории

Многие космические телескопы обнаруживают электромагнитное излучение в диапазоне длин волн, который, по крайней мере, до некоторой степени перекрывается с диапазоном длин волн инфракрасного излучения. Поэтому трудно определить, какие космические телескопы являются инфракрасными телескопами. Под термином «инфракрасный космический телескоп» понимается космический телескоп, основной задачей которого является обнаружение инфракрасного света.

В космосе работают семь инфракрасных космических телескопов. Они есть:

В дополнение Космический телескоп Джеймса Уэбба - инфракрасный космический телескоп, запуск которого запланирован на 2021 год. СФЕРЕКС намечен на запуск в 2023 году. НАСА также рассматривает возможность строительства Широкопольный инфракрасный обзорный телескоп (ПЕРВЫЙ).

ЕКА разрабатывает собственный спутник ближнего инфракрасного диапазона, Евклид спутник, запуск которого запланирован на 2022 год.

Многие другие небольшие космические миссии и космические детекторы инфракрасного излучения уже работали в космосе. К ним относятся Инфракрасный телескоп (IRT), который летел с Космический шатл.

В Астрономический спутник субмиллиметрового диапазона (SWAS) иногда упоминается как инфракрасный спутник, хотя это спутник субмиллиметрового диапазона.

Инфракрасные инструменты на космических телескопах

Для многих космических телескопов только некоторые инструменты могут вести наблюдение в инфракрасном диапазоне. Ниже перечислены некоторые из наиболее известных космических обсерваторий и инструментов:

Воздушные обсерватории

Для изучения неба в инфракрасном диапазоне использовались три обсерватории, базирующиеся на самолетах (другие самолеты также иногда использовались для проведения инфракрасных космических исследований). Они есть:

Наземные обсерватории

В мире существует множество наземных инфракрасных телескопов. Самые крупные из них:

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Гершель открывает инфракрасный свет». Крутой Космос. Архивировано из оригинал 25 февраля 2012 г.. Получено 9 апреля 2010.
  2. ^ «Первые результаты экспедиции ESO Ultra HD». Объявление ESO. Получено 10 мая 2014.
  3. ^ а б Рике, Джордж Х. (2009). «История инфракрасных телескопов и астрономии». Экспериментальная астрономия. 25 (1–3): 125–141. Bibcode:2009ExA .... 25..125R. Дои:10.1007 / s10686-009-9148-7.
  4. ^ Стекло, Ян С. (1999). Справочник по инфракрасной астрономии. Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-63311-7.
  5. ^ «Наука в контексте - документ». link.galegroup.com. Получено 25 сентября 2017.
  6. ^ link.galegroup.com/apps/doc/CV2644300557/SCIC?u=mcc_pv&xid=d1c570e6
  7. ^ «Распутывая паутину космических ползучих существ». Пресс-релиз ЕКА / Хаббла. Получено 18 января 2014.
  8. ^ "Художественное впечатление от галактики W2246-0526". Получено 18 января 2016.
  9. ^ Froebrich, D .; Scholz, A .; Рафтери, К. Л. (2007). Систематический обзор инфракрасных звездных скоплений с | b | <20 ° при использовании 2MASS, МНРАС, 347, 2
  10. ^ Majaess, Д. (2013). Обнаружение протозвезд и их хост-кластеров через WISE, АпСС, 344, 1
  11. ^ Камарго и др. (2015a). Новые галактические встроенные кластеры и кандидаты из обзора WISE, Новая астрономия, 34
  12. ^ Камарго и др. (2015b). К переписи антицентровых звездных скоплений Галактики - III. Отслеживание спиральной структуры внешнего диска, МНРАС, 432, 4
  13. ^ "Инфракрасные атмосферные ветровики". Прохладный Космос. Получено 9 апреля 2009.
  14. ^ а б c Вернер, Дебра (5 октября 2010 г.). «Отсрочка в последний момент расширяет миссию WISE». Космические новости. Получено 14 января 2014.

внешняя ссылка