Кіріспе

Инфрақызыл толқын ұзындықтарын бақылау

Инфрақызыл астрономия – инфрақызыл сәулеленуді (ИК) пайдалана отырып, астрономиялық объектілерді бақылау және талдауға маманданған астрономияның кіші саласы. Инфрақызыл сәулелердің толқын ұзындығы 0,75-тен 300 микрометрге дейін, ал көрінетін сәулеленудің 380-ден 750 нанометрге дейінгі аралығы мен субмиллиметрлік толқындар арасында орналасады. Инфрақызыл астрономия 1830 жылдары, Уильям Гершельдің 1800 жылы инфрақызыл сәулені ашқаннан кейін бірнеше онжылдықтан соң басталды. Алғашқы табыстар шектеулі болды, және 20-ғасырдың басында ғана Күн мен Айдан басқа астрономиялық объектілер инфрақызыл жарықпен анықталды. 1950-1960 жылдары радиоастрономиядағы бірқатар жаңалықтардан кейін астрономдар көзге көрінетін толқын ұзындығы диапазонынан тыс ақпарат бар екенін түсінді, осылайша қазіргі инфрақызыл астрономия қалыптасты. Инфрақызыл және оптикалық астрономия көбінесе бірдей телескоптарды қолданады, себебі бірдей айналар немесе линзалар көрінетін және инфрақызыл жарықты қамтитын толқын ұзындығы диапазонында тиімді болады. Екі сала да қатты күйдегі детекторларды пайдаланады, бірақ қолданылатын қатты күйдегі фотодетекторлардың нақты түрлері әртүрлі. Инфрақызыл сәуле Жер атмосферасындағы су буымен көптеген толқын ұзындықтарында жұтылады, сондықтан инфрақызыл телескоптардың көпшілігі атмосфераның үстінде, құрғақ және биік жерлерде орналасқан. Сонымен қатар, ғарышқа инфрақызыл обсерваториялар орнатылды, олардың ішінде Спитцер ғарыш телескобы, Гершель ғарыш обсерваториясы және соңғы кезде Джеймс Уэбб ғарыш телескобы бар.

Тарих

Инфрақызыл сәулеленудің табылуы Уильям Гершельге байланысты, ол 1800 жылы тәжірибе жасады: призмадан өткеннен кейін күн сәулесінің әртүрлі түстеріне термометрді орналастырды. Ол күн сәулесінің әсерінен температураның көтерілуі көрінетін спектрден тыс, қызыл түстің өтуінен кейін ең жоғары екенін байқады. Температураның жоғарылауы Күннің қасиеттеріне емес, призманың спектрлік сезімталдығына байланысты болды, бірақ температураның көтерілуінің болуы Гершельді Күннен көзге көрінбейтін сәулелену бар деген қорытымға әкелді. Ол осы сәулеленуді «жылу сәулелері» деп атады және оның көрінетін жарық сияқты шағылысуға, өтуге және сіңірілуге қабілетті екенін көрсетті. 1830 жылдардан бастап, 19 ғасыр бойы басқа астрономиялық көздерден инфрақызыл сәулеленуді анықтауға күш-жігер жұмсалды. Айдан келетін сәулеленуді алғаш рет 1856 жылы Шотландияның Корольдік астрономы Чарльз Пьяцци Смит, таулы астрономия туралы өз идеяларын тексеру үшін Тенерифеге жасаған экспедициясы кезінде анықтады. Эрнест Фокс Николс Арктур және Вегадан инфрақызыл сәулеленуді анықтау үшін өзгертілген Крукс радиометрін пайдаланды, бірақ Николс нәтижелерді нақты деп таба алмады. Дегенмен, ол екі жұлдыздың энергия ағынының арақатынасы қазіргі мәнмен сәйкес келеді, сондықтан Джордж Рике Николске инфрақызыл сәуледе біздің жұлдызымыздан басқа жұлдызды алғаш рет анықтағаны үшін құрмет көрсетеді. Инфрақызыл астрономия саласы 20 ғасырдың басында баяу дамыды, өйткені Сет Барнс Николсон мен Эдисон Петтит бірнеше жүз жұлдызға сезімтал және инфрақызыл фотометрияны дәл өлшеуге қабілетті термопиль детекторларын жасады. Бұл сала дәстүрлі астрономдар тарапынан 1960 жылдарға дейін көп назар алмады, инфрақызыл астрономиямен айналысқан көптеген ғалымдар физикалық білім алған. 1950 және 1960 жылдардағы радиоастрономияның жетістіктері, инфрақызыл детектор технологиясының жақсаруымен бірге, астрономдардың осы салада көбірек жұмыс істеуіне ықпал етті, және инфрақызыл астрономия астрономияның жеке саласы ретінде қалыптасты. Инфрақызыл ғарыш телескоптары пайдалануға берілді. 1983 жылы IRAS бүкіл аспанды зерттеді. 1995 жылы Еуропалық ғарыш агенттігі Инфрақызыл ғарыш обсерваториясын құрды. Спутниктің сұйық гелий қоры 1998 жылы таусылғанша, ол біздің ғаламда (сонымен қатар Сатурн мен Ураннан да) протожұлдыздар мен суды тапты. 2003 жылдың 25 тамызында НАСА бұрын Space Infrared Telescope Facility деп аталған Спитцер ғарыш телескобын ұшырды. 2009 жылы телескоптың сұйық гелиі таусылып, алыс инфрақызыл сәулелерді көру қабілеті жоғалды. Ол жұлдыздарды, қос спиральді тұмандықты және Күннен тыс планеталардың жарығын тапты. Ол 3,6 және 4,5 микрометрлік диапазондарда жұмыс істеді. Содан бері басқа инфрақызыл телескоптар жаңа жұлдыздардың пайда болуына, тұмандықтарға және жұлдыздық ошақтарға көмектесті. Инфрақызыл телескоптар галактиканың жаңа бөлігін ашты. Олар квазарлар сияқты өте алыс объектілерді бақылау үшін де пайдалы. Квазарлар Жерден алыстап барады. Осының салдарынан болатын үлкен қызыл ығысу оларды оптикалық телескоппен бақылауды қиындатады. Инфрақызыл телескоптар олар туралы көп көбірек ақпарат береді. 2008 жылдың мамыр айында халықаралық инфрақызыл астрономдар тобы галактикааралық шаңның алыстағы галактикалардың жарығын айтарлықтай әлсіздеткенін дәлелдеді. Шындығында, галактикалар көрінетінге қарағанда шамамен екі есе жарық. Шаң көрінетін жарықтың көп бөлігін сіңіріп алып, инфрақызыл сәуле түрінде қайта шығарады.

Қазіргі инфрақызыл астрономия

Көрінетін жарықтан сәл ұзын толқын ұзындығы бар инфрақызыл сәулелену, көрінетін жарыққа өте ұқсас түрде әрекет етеді және ұқсас қатты күйдегі құрылғыларды қолдану арқылы анықталуы мүмкін (осының арқасында көптеген квазарлар, жұлдыздар мен галактикалар ашылды). Осы себепті спектрдің жақын инфрақызыл аймағы, әдетте, "оптикалық" спектрдің бөлігі ретінде, жақын ультрафиолетпен бірге қосылады. Кейк обсерваториясындағы телескоптар сияқты көптеген оптикалық телескоптар инфрақызыл сәулемен және көзге көрінетін толқын ұзындығында тиімді жұмыс істейді. Алыстағы инфрақызыл толқын ұзындығы миллиметрден төмен, оны Мауна-Кеа обсерваториясындағы Джеймс Клерк Максвелл телескопы сияқты телескоптар бақылайды. Электромагниттік сәулеленудің барлық басқа түрлері сияқты инфрақызыл сәулеленуді астрономдар ғаламды зерттеу үшін пайдаланады. 2MASS және WISE ғарыш зерттеулерімен жасалған инфрақызыл өлшеулер бұрын табылмаған жұлдыз шоқтарын ашуда аса тиімді болды. Мұндай жұлдыз шоғырларының мысалдары: FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30 және Majaess 99. Инфрақызыл телескоптар, оның ішінде негізгі оптикалық телескоптар мен бірнеше арнайы инфрақызыл телескоптар сұйық азотпен салқындатылуы және ыстық заттардан қорғалуы керек. Мұның себебі - бірнеше жүз Кельвин температурасы бар нысандар жылу энергиясының көп бөлігін инфрақызыл толқын ұзындығында шығарады. Егер инфрақызыл детекторларды салқындатпайтын болса, детектордың өзінен шығатын сәуле аспандағы кез келген сәуле көзінен шығатын сәуледен гөрі күшті болар еді. Бұл, әсіресе, спектрдің орташа және алыс инфрақызыл аймақтарында маңызды. Бұрыштық ажыратымдылықты арттыру үшін кейбір инфрақызыл телескоптар астрономиялық интерферометрлерді құрау үшін біріктіріледі. Интерферометрдің тиімді ажыратымдылығы жеке телескоптардың көлеміне емес, телескоптар арасындағы қашықтыққа байланысты. Адаптивтік оптикамен бірге қолданылған кезде, Кек обсерваториясындағы екі 10 метрлік телескоп немесе өте үлкен телескоп интерферометрі құрайтын төрт 8,2 метрлік телескоп сияқты инфрақызыл интерферометрлер жоғары бұрыштық ажыратымдылыққа қол жеткізе алады. Жердегі телескоптардың инфрақызыл сәулелерге сезімталдығының ең басты шектеуі – Жер атмосферасы. Су буы инфрақызыл сәулеленудің едәуір мөлшерін сіңіреді, ал атмосфераның өзі инфрақызыл толқын ұзындығында сәуле шығарады. Осы себепті, инфрақызыл телескоптардың көпшілігі атмосферадағы су буының басым бөлігінен жоғары орналасқан, биіктіктегі өте құрғақ жерлерде салынған. Жер бетіндегі қолайлы орындар: теңіз деңгейінен 4205 метр биіктіктегі Мауна-Кеа обсерваториясы, Чилидегі 2635 метр биіктіктегі Параналь обсерваториясы және Антарктидадағы C Dome сияқты биік биіктіктегі мұздық шөлдер. Тіпті биік жерлерде Жер атмосферасының мөлдірлігі шектеледі, тек инфрақызыл терезелерде немесе Жер атмосферасы мөлдір болатын толқын ұзындығында ғана. Негізгі инфрақызыл терезелер төменде келтірілген:

Спектр Толқын ұзындығы (микрометр) Астрономиялық жолақтар Телескоптар
Жақын инфрақызыл 0.65-тен 1.0 R және I жолақтары Барлық негізгі оптикалық телескоптар
Жақын инфрақызыл 1.1 - 1.4 J жолағы Барлық негізгі оптикалық телескоптар және көптеген арнайы инфрақызыл телескоптар
Жақын инфрақызыл 1.5-тен 1.8 H жолағы Барлық негізгі оптикалық телескоптар және көптеген арнайы инфрақызыл телескоптар
Жақын инфрақызыл 2.0 - 2.4 K жолағы Барлық негізгі оптикалық телескоптар және көптеген арнайы инфрақызыл телескоптар
Жақын инфрақызыл 3.0 - 4.0 L жолағы Көптеген арнайы инфрақызыл телескоптар және кейбір оптикалық телескоптар
Жақын инфрақызыл 4.6 - 5.0 M жолағы Көптеген арнайы инфрақызыл телескоптар және кейбір оптикалық телескоптар
Орташа инфрақызыл 7.5 - 14.5 N жолағы Көптеген арнайы инфрақызыл телескоптар және кейбір оптикалық телескоптар
Орташа инфрақызыл 17 - 25 Q жолағы Кейбір арнайы инфрақызыл телескоптар және кейбір оптикалық телескоптар
Алыс инфрақызыл 28 - 40 Z жолағы Кейбір арнайы инфрақызыл телескоптар және кейбір оптикалық телескоптар
Алыс инфрақызыл 330 - 370 Кейбір арнайы инфрақызыл телескоптар және кейбір оптикалық телескоптар
Алыс инфрақызыл 450 субмиллиметр Субмиллиметр телескоптары

Көрінетін жарық телескоптары сияқты, ғарыш инфрақызыл телескоптары үшін де идеалды орын. Ғарыштағы телескоптар Жер атмосферасының салдарынан болатын бұлыңғырлықтан зардап шекпейді, сонымен қатар Жер атмосферасының инфрақызыл сәулелерді сіңіруінен де босатылады. Қазіргі ғарыштағы инфрақызыл телескоптарға Гершель ғарыш обсерваториясы, Спитцер ғарыш телескопы, Кең өрісті инфрақызыл зерттеуші және Джеймс Вебб ғарыш телескопы жатады. Телескоптарды орбитаға шығару қымбат болғандықтан, әуедегі обсерваториялар да бар, мысалы, инфрақызыл астрономия үшін стратосфералық обсерватория және Койпер әуедегі обсерваториясы. Бұл обсерваториялар атмосфераның басым бөлігінен, бірақ барлығынан емес, жоғарыда ұшып жүр, ал атмосферадағы су буы ғарыштан келетін инфрақызыл жарықтың бір бөлігін сіңіреді.

Инфрақызыл технология

Ғылыми телескоптарда қолданылатын ең көп таралған инфрақызыл детекторлардың бірі – HgCdTe массивтері. Олар 0,6 және 5 микрометрлік толқын ұзындығында жақсы жұмыс істейді. Ұзақ толқын ұзындығындағы байқаулар немесе жоғары сезімталдық үшін басқа детекторлар қолданылуы мүмкін, соның ішінде басқа тар тізбекті жартылай өткізгіш детекторлар, төмен температуралы болметр массивтері немесе фотондарды санаушы суперөткізгіш туннельді қосылыстар массивтері. Инфрақызыл астрономияға қойылатын арнайы талаптар: ұзақ интеграция уақытын қамтамасыз ету үшін өте төмен қара тоқтар, оған байланысты төмен шу деңгейі және кейде өте жоғары пикселдер саны. Төмен температура көбінесе салқындатқыш арқылы қамтамасыз етіледі, ол бітіп кетуі мүмкін. Ғарыш миссиялары салқындатқыш қоры таусылғанда аяқталуы немесе "жылы" байқауларға көшуі мүмкін. Евклид телескопы, 2023 жылы іске қосылған, ESA миссиясы. Сонымен қатар, SPHEREx телескопы 2025 жылы іске қосылу жоспарланған. НАСА 2027 жылы Нэнси Грейс Рим ғарыш телескобын (NGRST) – бұрынғы Кең өрістік инфрақызыл ғарыш телескобы (WFIRST) – іске қосуды жоспарлап отыр. Көптеген басқа да кішкентай ғарыш миссиялары мен ғарышта орналасқан инфрақызыл сәулелену детекторлары да жұмыс істеген. Олардың қатарында ғарыш кемесімен бірге ұшқан Инфрақызыл телескоп та бар. Субмиллиметрлік толқынды астрономия спутнигі (SWAS) кейде инфрақызыл спутнигі ретінде айтылады, бірақ ол субмиллиметрлік спутник.

Әуедегі обсерваториялар

Аспанды инфрақызыл сәулелерде зерттеу үшін үш ұшақ негізделген обсерватория қолданылды (басқа ұшақтар да инфрақызыл ғарыш зерттеулерін жүргізу үшін кейде пайдаланылды). Олар:

"Галилео" обсерваториясы, NASA миссиясы. 1965-1973 жылдары жұмыс істеді. "Куйпер" әуедегі обсерваториясы, NASA миссиясы. 1974-1995 жылдары қызмет етті. SOFIA, NASA DLR миссиясы. 2010-2022 жылдары жұмыс істеді.