Infračervená astronomie

Infračervené astronomie je experimentální část astronomie , kterou záření emitovaného astronomických objektů infračervené záření použití. Toto záření leží v části elektromagnetického spektra , kterou lidské oko nemůže vnímat.

Galaxie Whirlpool v infračerveném světle na 2 μm

Pozorovací oblast

Rozsah infračerveného záření, nazývaný také tepelné záření , leží mezi optickým (vlnová délka> 700 nm) a submilimetrovým rozsahem (<300 μm), tj. Frekvenčním rozsahem mezi 300 GHz a 400 THz a je rozdělen do tří rozsahů,

• V blízkosti infračerveného záření (přibližně 700 nm - 4 μm)
• Střední infračervený (4–40 μm)
• Daleko infračervený (40-300 μm),

přesné meze jak infračerveného rozsahu, tak dílčích rozsahů se mírně liší v závislosti na zdroji. V astronomii se tyto oblasti dále dělí na pásma vlnových délek, ve kterých je atmosféra do značné míry transparentní . Tato pásma jsou označena velkými písmeny za názvy optických filtrů, které umožňují průchod záření pouze odpovídajících vlnových délek: I (přibližně 0,8 μm), Z (přibližně 0,9 μm), Y (přibližně 1,0 μm), J (1,25 μm ), H (1,65 μm), K (2,2 μm), L (3,45 μm), M (4,7 μm), N (10 μm) a Q (20 μm). Mimo tyto pásy je vzduch obsahující vodní páru prakticky neprůhledný.

Instrumentální předpoklady

Počítačová animace Spitzerova vesmírného dalekohledu s infračerveným obrazem Mléčné dráhy v pozadí

Tepelné záření z atmosféry, dalekohledu a samotných nástrojů, které je stále více a více rušivé nad zhruba 2 µm, má zásadní vliv na vývoj přístrojů.

Místa pro dalekohledy

Infračervené záření je velmi silně absorbováno zemskou atmosférou , zejména atmosférickými vodními parami. Pozorování pomocí pozemských teleskopů je možné pouze pod 1 μm a v několika malých oknech až kolem 40 μm . Pozemní infračervené teleskopy jsou proto přednostně instalovány na vysokých a suchých místech. Příkladem je observatoř Mauna Kea nebo observatoře Evropské jižní observatoře (ESO). Antarktické ledové příkrovy jsou zajímavé také kvůli své nadmořské výšce, chladu a suchu. Velké teleskopy se často používají pro optická i infračervená pozorování, ale existují také některé dalekohledy speciálně optimalizované pro infračervená pozorování.

Protože absorpce prudce klesá s rostoucí nadmořskou výškou, používají se infračervené dalekohledy ve vysoko létajících balónech a balisticky znějících raketách od 60. let minulého století . Od 60. let se používají také vysoko létající letadla ( Lear Jet Observatory , Kuiper Airborne Observatory , SOFIA ). Ve vesmíru nejenže zmizí absorpce atmosféry, ale také bude možné ochladit menší dalekohledy jako celek na velmi nízké teploty a potlačit tak jejich rušivé tepelné záření. Od 80. let se stále více používají vesmírné teleskopy pro infračervený dosah, první byly IRAS a ISO , další důležité byly ASTRO-F a Herschel . Spitzer a WISE jsou v současné době (leden 2014) aktivní, ale oba pouze na kratších vlnových délkách, protože chladicí kapalina byla spotřebována. Očekává se, že v dohledné době bude vypuštěn vesmírný teleskop James Webb (JWST).

Nástroje

Nástroje infračervené astronomie jsou svým konceptem podobné kamerám a spektrografům vizuální astronomie . Musí však být silně ochlazeny. Obvykle se k tomuto účelu používají kryostaty nebo mechanická chladicí zařízení chlazená kapalným dusíkem nebo heliem . Infračervený z. B. optické materiály používané pro čočky se však liší od materiálů běžně používaných pro viditelné světlo.

Infračervené přístroje často v procesu zvaném sekání pravidelně mění směr pozorování mezi zkoumaným objektem a sousední polohou na obloze. Odečtením signálů měřených v obou polohách lze zdroj lépe oddělit od pozadí.

Od devadesátých let je možné pomocí adaptivní optiky korigovat turbulence vzduchu ( vidění ) pro pozorování v blízké infračervené oblasti . Tímto způsobem dosahují velké pozemské dalekohledy plného difrakčně omezeného rozlišení a mohou v tomto ohledu konkurovat Hubbleovu vesmírnému teleskopu .

Detektory

V širokém rozsahu vlnových délek infračervené astronomie se používá několik typů detektorů. Normální CCD detektory , používané také ve vizuální astronomii, jsou citlivé až do vlnové délky kolem 1 μm . Pro delší vlnové délky jsou nutné speciální detektory.

Po druhé světové válce začal vzestup infračervené astronomie s detektory vyrobenými ze sulfidu olovnatého (PbS). Dnes se používají detektory na principu fotodiody , zejména pro blízké infračervené záření , vyrobené z polovodičových materiálů, jako je antimonid india InSb a telurid rtuti a kadmia (Hg, Cd) Te. Na delších vlnových délkách se používají detektory vyrobené z dopovaného křemíku (např. Si: Ga) a germania (např. Ge: Ga) fungující podle principu fotoodporů . Kromě toho se dnes používají tepelné detektory ( bolometry ) , zejména u nejdelších vlnových délek . Ty ukazují tepelnou energii generovanou zářením v detektoru. Až do 80. let 20. století byly infračervené detektory téměř vždy individuálními detektory, které bylo nutné pro větší snímky přesouvat po obloze. Od té doby je k dispozici pole detektorů až 2048 * 2048 prvků pro krátké vlnové délky a až několik tisíc prvků pro dlouhé vlnové délky.

Zvláštnosti infračervené astronomie

Pronikání mezihvězdného prachu

Andromeda mlhovina v infračerveném světle při 24 um

Útlum ( zánik ) elektromagnetického záření mezihvězdným prachem se značně liší s vlnovou délkou. Na 2 µm v blízké infračervené oblasti se již snížil na přibližně 1/10 ve srovnání s viditelným světlem. To umožňuje pozorovat oblasti skryté za prachem, např. B. mladé hvězdy , galaktické centrum a jádra infračervených galaxií .

Pozorování studených předmětů

Podle Planckova radiačního zákona chladná nebeská tělesa jako např B. Hnědí trpaslíci nebo hvězdy stále hluboko uložené v molekulárních mracích, hlavně v infračerveném spektru. Mnoho atomů, iontů a molekul běžných v mezihvězdném médiu má důležité infračervené přechody záření. Infračervená spektroskopie je zvláště vhodná pro stanovení složení a fyzikálních podmínek plynu s teplotami několika stovek Kelvinů . Studený (<100 Kelvinů) prach v mezihvězdném prostředí znovu emituje absorbované světlo ve vzdáleném infračerveném záření a často je významným příspěvkem k energetické rovnováze astronomických objektů. Ve střední infračervené oblasti dochází k silné emisi organických sloučenin v mezihvězdném prostředí, které souvisejí s polycyklickými aromatickými uhlovodíky .

Pozorování při vysokém červeném posunu

Díky kosmologickému červenému posunu je viditelné nebo ultrafialové světlo vyzařované galaxiemi v raném vesmíru na Zemi pozorováno v blízké infračervené oblasti. To je např. B. rozhodující pro konstrukci vesmírného teleskopu Jamese Webba .

Objekty pozorování a vědecké cíle

Ve sluneční soustavě

Planety , satelity , komety a asteroidy ve sluneční soustavě jsou intenzivně pozorovány v infračerveném spektru. Od společnosti IRAS z. B. objevili některé nové asteroidy a komety, stejně jako tři pruhy prachu v oblasti pásu asteroidů , které byly pravděpodobně způsobené srážkami v pásu asteroidů. Novým cílem jsou vlastnosti transneptunských objektů Kuiperova pásu a Oortova oblaku .

V Mléčné dráze

Porovnání středu Mléčné dráhy na různých vlnových délkách

Mnoho infračervených pozorování v Mléčné dráze je zaměřeno na pochopení vzniku hvězd. Rozsáhlé hledání mladých hvězd ve všech fázích vývoje a hnědých trpaslíků je kombinováno s obrázky ve vysokém rozlišení a spektroskopií. Disky s kruhovým prachem vykazovaly první známky vzniku a vývoje planetárních systémů kolem jiných hvězd. V galaktickém centru se v infračerveném spektru zkoumá blízkost nejbližší supermasivní černé díry . Vyvinuté hvězdy a jejich hromadné vyvržení jsou dalším cílem infračervené astronomie v Mléčné dráze.

Infračervená spektroskopie se používá ke studiu stavu a chemického složení mezihvězdného média. IRAS také objevil difúzní infračervené záření a mračna vláknitého prachu, která zasahují do vysokých galaktických šířek.

Mimo Mléčnou dráhu

Na rozdíl od Mléčné dráhy a většiny ostatních galaxií vyzařují infračervené galaxie až 99% své celkové svítivosti ve vzdálené infračervené oblasti. Interakce a kolize s jinými galaxiemi přispívají k jejich vzniku. Infračervená astronomie studuje přínos vysokých rychlostí vzniku hvězd při výbuchu hvězd a aktivních jader galaxií k tomuto jevu.

Vývoj galaxií v raném vesmíru se čím dál intenzivněji studuje v infračerveném spektru. V blízké infračervené oblasti je pozorováno červeně posunuté světlo hvězd těchto galaxií, v dálkovém infračerveném a submilimetrovém rozsahu je pozorována část pohlcená prachem a znovu emitovaná.

Historický vývoj a výhled

Poté, co William Herschel objevil v roce 1800 sluneční infračervené záření, dokázal Charles Piazzi Smyth v roce 1856 poprvé detekovat infračervenou složku ve spektru měsíčního světla . William Coblentz byl schopen detekovat infračervené záření od 110 hvězd z roku 1915 a je považován za jednoho ze zakladatelů IR spektroskopie . Tato raná měření byla většinou získána pomocí bolometrů nebo termočlánků .

V padesátých letech minulého století detektory sulfidu olovnatého (PbS) přinesly skok v citlivosti v blízké infračervené oblasti. Stejně jako u mnoha pozdějších vývojů detektorů pro blízké a střední infračervené záření, astronomie těžila z vojenského zájmu o citlivé detekční systémy, např. B. pro sledování letadel a raket. Kolem roku 1960 vyvinuli Harold L. Johnson a spolupracovníci první fotometrický systém pro infračervené záření. V roce 1963 bylo provedeno infračervené pozorování Marsu s prvními balónovými misemi a již v roce 1967 bylo provedeno první mapování celé oblohy ve středním infračerveném záření pomocí série raketových letů, během kterých bylo objeveno více než 2000 infračervených zdrojů s celková doba pozorování pouze 30 minut. Ve stejném roce byla založena observatoř Mauna Kea, ve které se dodnes nacházejí největší infračervené teleskopy. Počátkem 70. let byl vojenský transportní letoun C-141A přeměněn na infračervený dalekohled , který od roku 1974 jako Kuiper Airborne Observatory (KAO) prováděl pozorování ve výšce 14 km.

Průlom v infračervené astronomii však přišel v 80. letech s prvními satelitními misemi. V roce 1983 IRAS skenoval oblohu. V roce 1989 byl spuštěn COBE a objevil anizotropie kosmického záření pozadí . 1995 následovala infračervená vesmírná observatoř (ISO) první skutečná vesmírná observatoř pro infračervenou kameru, fotometr a spektrometr. V roce 1997 byl Hubbleův vesmírný teleskop aktualizován o infračervený přístroj NICMOS a v roce 2003 byl vypuštěn vesmírný dalekohled Spitzer . V roce 2009 byly zahájeny mise Planck , Herschel a WISE .

Vývoj infračervené astronomie se v současné době ubírá dvěma hlavními směry:

• Pozorování s nejvyšším prostorovým rozlišením ze země pomocí adaptivní optiky nebo interferometrie jako na interferometru VLT ( Very Large Telescope Interferometer ). Plánované obří teleskopy, jako je Evropský extrémně velký dalekohled, jsou bez adaptivní optiky nemyslitelné.
• další zvýšení citlivosti letadel a satelitních dalekohledů. Vesmírný teleskop Jamese Webba je v současné době ve výstavbě a má být dokončen v roce 2021; letadlová observatoř SOFIA již byla implementována . Projekty realizované v roce 2000 , jako je Terrestrial Planet Finder NASA a Darwinův teleskop ESA, které by poprvé umožnily přímé pozorování exosolárních planet , byly odloženy nebo nebyly poprvé realizovány.

literatura

• Ian Glass: Příručka infračervené astronomie . Cambridge University Press, Cambridge 1999, ISBN 0-521-63311-7 (technické základy).
• Ian S. McLean: Infračervená astronomie s poli - další generace. Kluwer, Dordrecht 1994, ISBN 0-7923-2778-0
• Rudolf A. Hanel: Průzkum sluneční soustavy infračerveným dálkovým průzkumem. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2003, ISBN 0-521-81897-4
• Low, FJ , Rieke, GH, Gehrz, RD, The Beginning of Modern Infrared Astronomy , Ann. Rev.Astron. Astrofyzi. 45, 43-75 (2007)
• David L. Clements: Infračervená astronomie - vidět teplo. CRC Press, Boca Raton 2015, ISBN 978-1-4822-3727-6 .
• Thorsten Dambeck: V novém světle: zrození a smrt hvězd . Bild der Wissenschaft , 10/2008, s. 46-52, ISSN  0006-2375

webové odkazy

• Německý SOFIA Inst., Základy infračervené astronomie: [1]
• Výuka infračervené astronomie (anglicky)
• Galerie více astronomických astronomů
• Infračervené centrum pro zpracování a analýzu - vědecké a datové centrum pro infračervenou astronomii

Individuální důkazy

1. ↑ Infračervené teleskopy, s. 501-512 v: Jingquan Cheng: Principy návrhu astronomických dalekohledů. Springer, New York 2009, ISBN 978-0-387-88790-6 .