Наблюдение инфракрасных волн

Введение

Наблюдение инфракрасных длин волн

Инфракрасная астрономия – это поддисциплина астрономии, специализирующаяся на наблюдении и анализе астрономических объектов с использованием инфракрасного (ИК) излучения. Длина волны инфракрасного света варьируется 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, спустя несколько десятилетий после открытия инфракрасного света Уильямом Гершелем в 1800 году. Ранний прогресс был ограничен, и лишь в начале XX века были получены убедительные данные об обнаружении астрономических объектов, отличных от Солнца и Луны, в инфракрасном свете. После ряда открытий, сделанных в 1950-х и 1960-х годах в радиоастрономии, астрономы осознали объем информации, доступной за пределами видимого диапазона длин волн, и была заложена основа современной инфракрасной астрономии. Инфракрасная и оптическая астрономия часто проводятся с использованием одних и тех же телескопов, поскольку одни и те же зеркала или линзы обычно эффективны в диапазоне длин волн, охватывающем как видимый, так и инфракрасный свет. Обе области также используют твердотельные детекторы, хотя конкретные типы используемых твердотельных фотодетекторов различаются. Инфракрасный свет поглощается водяным паром в атмосфере Земли на многих длинах волн, поэтому большинство инфракрасных телескопов располагаются на больших высотах в сухих местах, чтобы быть как можно выше над атмосферой. В космосе также функционировали инфракрасные обсерватории, включая космический телескоп «Спитцер», космическую обсерваторию «Гершель» и, в последнее время, космический телескоп имени Джеймса Уэбба.

История

Открытие инфракрасного излучения приписывается Уильяму Гершелю, который в 1800 году провёл эксперимент, поместив термометр в солнечный свет разных цветов после прохождения через призму. Он заметил, что увеличение температуры, вызванное солнечным светом, было наибольшим за пределами видимого спектра, непосредственно за красным цветом. Тот факт, что наибольшее увеличение температуры наблюдалось в инфракрасных длинах волн, был обусловлен спектральной характеристикой призмы, а не свойствами Солнца, однако само наличие увеличения температуры побудило Гершеля заключить, что от Солнца исходит невидимое излучение. Он назвал это излучение «тепловыми лучами» и показал, что оно, подобно видимому свету, может отражаться, пропускаться и поглощаться. Начиная с 1830-х годов и на протяжении всего XIX века предпринимались попытки обнаружить инфракрасное излучение от других астрономических источников. Излучение Луны впервые было зарегистрировано в 1856 году Чарльзом Пьяцци Смитом, королевским астрономом Шотландии, во время экспедиции на Тенерифе для проверки его идей о горной астрономии. Эрнест Фокс Николс использовал модифицированный радиометр Крукса в попытке обнаружить инфракрасное излучение от Арктура и Веги, но посчитал результаты неубедительными. Тем не менее, отношение потоков, которое он сообщил для этих двух звёзд, соответствует современным значениям, поэтому Джордж Рике признаёт Николса первым, кто обнаружил инфракрасное излучение от звезды, отличной от Солнца. Область инфракрасной астрономии продолжала медленно развиваться в начале XX века, благодаря разработке Сетом Барнсом Николсоном и Эдисоном Петтитом термопильных детекторов, способных к точной инфракрасной фотометрии и чувствительных к нескольким сотням звёзд. До 1960-х годов традиционные астрономы в основном игнорировали эту область, и большинство учёных, занимавшихся инфракрасной астрономией, были физиками. Успехи радиоастрономии в 1950-х и 1960-х годах в сочетании с усовершенствованием технологии инфракрасных детекторов привлекли больше внимания астрономов, и инфракрасная астрономия утвердилась как самостоятельная область астрономии. В строй вступили инфракрасные космические телескопы. В 1983 году IRAS провела обзор всего неба. В 1995 году Европейское космическое агентство создало Инфракрасную космическую обсерваторию. До исчерпания запасов жидкого гелия в 1998 году этот спутник обнаружил протозвёзды и воду во Вселенной (даже на Сатурне и Уране). 25 августа 2003 года NASA запустила космический телескоп Спитцер, ранее известный как Космический инфракрасный телескоп. В 2009 году у телескопа закончился жидкий гелий, и он потерял способность видеть в дальнем инфракрасном диапазоне. Он обнаружил звёзды, туманность Двойная спираль и свет от экзопланет. Он продолжал работать в диапазонах 3,6 и 4,5 микрометра. С тех пор другие инфракрасные телескопы помогли обнаружить новые формирующиеся звёзды, туманности и звёздные ясли. Инфракрасные телескопы открыли для нас совершенно новую часть галактики. Они также полезны для наблюдения за чрезвычайно далёкими объектами, такими как квазары. Квазары удаляются от Земли, что приводит к значительному красному смещению и затрудняет их наблюдение в оптическом диапазоне. Инфракрасные телескопы предоставляют гораздо больше информации о них. В мае 2008 года группа международных инфракрасных астрономов доказала, что межгалактическая пыль значительно ослабляет свет далёких галактик. Фактически, галактики почти в два раза ярче, чем кажутся. Пыль поглощает большую часть видимого света и переизлучает его в виде инфракрасного света.

The discovery of infrared radiation is attributed to William Herschel, who performed an experiment in 1800 where he placed a thermometer in sunlight of different colors after it passed through a prism. He noticed that the temperature increase induced by sunlight was highest outside the visible spectrum, just beyond the red color. That the temperature increase was highest at infrared wavelengths was due to the spectral response of the prism rather than properties of the Sun, but the fact that there was any temperature increase at all prompted Herschel to deduce that there was invisible radiation from the Sun. He dubbed this radiation "calorific rays", and went on to show that it could be reflected, transmitted, and absorbed just like visible light. Efforts were made starting in the 1830s and continuing through the 19th century to detect infrared radiation from other astronomical sources. Radiation from the Moon was first detected in 1856 by Charles Piazzi Smyth, the Astronomer Royal for Scotland, during an expedition to Tenerife to test his ideas about mountain top astronomy. Ernest Fox Nichols used a modified Crookes radiometer in an attempt to detect infrared radiation from Arcturus and Vega, but Nichols deemed the results inconclusive. Even so, the ratio of flux he reported for the two stars is consistent with the modern value, so George Rieke gives Nichols credit for the first detection of a star other than our own in the infrared. The field of infrared astronomy continued to develop slowly in the early 20th century, as Seth Barnes Nicholson and Edison Pettit developed thermopile detectors capable of accurate infrared photometry and sensitive to a few hundreds of stars. The field was mostly neglected by traditional astronomers until the 1960s, with most scientists who practiced infrared astronomy having actually been trained physicists. The success of radio astronomy during the 1950s and 1960s, combined with the improvement of infrared detector technology, prompted more astronomers to take notice, and infrared astronomy became well established as a subfield of astronomy. Infrared space telescopes entered service. In 1983, IRAS made an all sky survey. In 1995, the European Space Agency created the Infrared Space Observatory. Before this satellite ran out of liquid helium in 1998, it discovered protostars and water in our universe (even on Saturn and Uranus). On 25 August 2003, NASA launched the Spitzer Space Telescope, previously known as the Space Infrared Telescope Facility. In 2009, the telescope ran out of liquid helium and lost the ability to see far infrared. It had discovered stars, the Double Helix Nebula, and light from extrasolar planets. It continued working in 3.6 and 4.5 micrometer bands. Since then, other infrared telescopes helped find new stars that are forming, nebulae, and stellar nurseries. Infrared telescopes have opened up a whole new part of the galaxy for us. They are also useful for observing extremely distant things, like quasars. Quasars move away from Earth. The resulting large redshift make them difficult targets with an optical telescope. Infrared telescopes give much more information about them. During May 2008, a group of international infrared astronomers proved that intergalactic dust greatly dims the light of distant galaxies. In actuality, galaxies are almost twice as bright as they look. The dust absorbs much of the visible light and re emits it as infrared light.

Современная инфракрасная астрономия

Инфракрасное излучение с длиной волны, лишь немного превышающей длину волны видимого света, известное как ближний инфракрасный диапазон, 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 ближний инфракрасный диапазон спектра обычно рассматривается как часть "оптического" спектра, наряду с ближним ультрафиолетом. Многие оптические телескопы, такие как телескопы обсерватории Кека, эффективно работают в ближнем инфракрасном диапазоне, а также на видимых длинах волн. Дальний инфракрасный диапазон простирается до субмиллиметровых длин волн, которые наблюдаются с помощью таких телескопов, как телескоп Джеймса Клерка Максвелла в обсерватории Мауна-Кеа. Как и все другие формы электромагнитного излучения, инфракрасное излучение используется астрономами для изучения Вселенной. В частности, инфракрасные измерения, полученные в ходе астрономических обзоров 2MASS и WISE, оказались особенно эффективными для обнаружения ранее неизвестных звездных скоплений. Примерами таких встроенных звездных скоплений являются FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30 и Majaess 99. Инфракрасные телескопы, включающие в себя большинство крупных оптических телескопов, а также несколько специализированных инфракрасных телескопов, нуждаются в охлаждении жидким азотом и экранировании от теплых объектов. Это связано с тем, что объекты с температурой в несколько сотен кельвинов излучают большую часть своей тепловой энергии в инфракрасном диапазоне. Если инфракрасные детекторы не охлаждаются, излучение самого детектора создавало бы шум, который заглушил бы излучение любого небесного источника. Это особенно важно в среднем и дальнем инфракрасном диапазонах 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 совместно с адаптивной оптикой инфракрасные интерферометры, такие как два 10-метровых телескопа в обсерватории Кека или четыре 8,2-метровых телескопа, составляющих интерферометр Очень Большого Телескопа, 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 в инфракрасном диапазоне. По этой причине большинство инфракрасных телескопов строятся в очень сухих местах на большой высоте, чтобы они находились выше основной массы водяного пара в атмосфере. Подходящие места на Земле включают обсерваторию Мауна-Кеа на высоте 4205 метров над уровнем моря, обсерваторию Паранала на высоте 2635 метров в Чили и регионы высокогорных ледяных пустынь, такие как Купол C в Антарктиде. Даже на больших высотах прозрачность атмосферы Земли ограничена, за исключением инфракрасных окон, то есть длин волн, в которых атмосфера Земли прозрачна. Основные инфракрасные окна перечислены ниже:

Infrared radiation with wavelengths just longer than visible light, known as near infrared, behaves in a very similar way to visible light, and can be detected using similar solid state devices (because of this, many quasars, stars, and galaxies were discovered). For this reason, the near infrared region of the spectrum is commonly incorporated as part of the "optical" spectrum, along with the near ultraviolet. Many optical telescopes, such as those at Keck Observatory, operate effectively in the near infrared as well as at visible wavelengths. The far infrared extends to submillimeter wavelengths, which are observed by telescopes such as the James Clerk Maxwell Telescope at Mauna Kea Observatory. Like all other forms of electromagnetic radiation, infrared is utilized by astronomers to study the universe. Indeed, infrared measurements taken by the 2MASS and WISE astronomical surveys have been particularly effective at unveiling previously undiscovered star clusters. Examples of such embedded star clusters are FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30, and Majaess 99. Infrared telescopes, which includes most major optical telescopes as well as a few dedicated infrared telescopes, need to be chilled with liquid nitrogen and shielded from warm objects. The reason for this is that objects with temperatures of a few hundred kelvins emit most of their thermal energy at infrared wavelengths. If infrared detectors were not kept cooled, the radiation from the detector itself would contribute noise that would dwarf the radiation from any celestial source. This is particularly important in the mid infrared and far infrared regions of the spectrum. To achieve higher angular resolution, some infrared telescopes are combined to form astronomical interferometers. The effective resolution of an interferometer is set by the distance between the telescopes, rather than the size of the individual telescopes. When used together with adaptive optics, infrared interferometers, such as two 10 meter telescopes at Keck Observatory or the four 8.2 meter telescopes that make up the Very Large Telescope Interferometer, can achieve high angular resolution. The principal limitation on infrared sensitivity from ground based telescopes is the Earth's atmosphere. Water vapor absorbs a significant amount of infrared radiation, and the atmosphere itself emits at infrared wavelengths. For this reason, most infrared telescopes are built in very dry places at high altitude, so that they are above most of the water vapor in the atmosphere. Suitable locations on Earth include Mauna Kea Observatory at 4205 meters above sea level, the Paranal Observatory at 2635 meters in Chile and regions of high altitude ice desert such as Dome C in Antarctic. Even at high altitudes, the transparency of the Earth's atmosphere is limited except in infrared windows, or wavelengths where the Earth's atmosphere is transparent. The main infrared windows are listed below:

Диапазон спектраДлина волны (микрометры)Астрономические полосыТелескопыБлижний инфракрасный0,65–1,0R и I полосыВсе основные оптические телескопыБлижний инфракрасный1,1–1,4J полосаБольшинство основных оптических телескопов и большинство специализированных инфракрасных телескоповБлижний инфракрасный1,5–1,8H полосаБольшинство основных оптических телескопов и большинство специализированных инфракрасных телескоповБлижний инфракрасный2,0–2,4K полосаБольшинство основных оптических телескопов и большинство специализированных инфракрасных телескоповБлижний инфракрасный3,0–4,0L полосаБольшинство специализированных инфракрасных телескопов и некоторые оптические телескопыБлижний инфракрасный4,6–5,0M полосаБольшинство специализированных инфракрасных телескопов и некоторые оптические телескопыСредний инфракрасный7,5–14,5N полосаБольшинство специализированных инфракрасных телескопов и некоторые оптические телескопыСредний инфракрасный17–25Q полосаНекоторые специализированные инфракрасные телескопы и некоторые оптические телескопыДальний инфракрасный28–40Z полосаНекоторые специализированные инфракрасные телескопы и некоторые оптические телескопыДальний инфракрасный330–370Некоторые специализированные инфракрасные телескопы и некоторые оптические телескопыДальний инфракрасный450СубмиллиметровыйСубмиллиметровые телескопы

Как и в случае с телескопами видимого света, идеальным местом для инфракрасных телескопов является космос. Телескопы в космосе могут достигать более высокого разрешения, поскольку они не страдают от размытия, вызванного атмосферой Земли, и также свободны от инфракрасного поглощения, вызванного атмосферой Земли. К текущим инфракрасным телескопам в космосе относятся космическая обсерватория Гершель, космический телескоп Спитцера, инфракрасный обзорщик широкого поля и космический телескоп Джеймса Уэбба. Поскольку вывод телескопов на орбиту дорог, существуют также летающие обсерватории, такие как Стратосферная обсерватория для инфракрасной астрономии и обсерватория Куйпера. Эти обсерватории летают выше большей части, но не всей атмосферы, а водяной пар в атмосфере поглощает часть инфракрасного света из космоса.

Инфракрасная технология

Одним из наиболее распространенных инфракрасных детекторных массивов, используемых в исследовательских телескопах, являются массивы HgCdTe. Они эффективно работают в диапазоне длин волн от 0,6 до 5 микрометров. Для наблюдений на больших длинах волн или при необходимости более высокой чувствительности могут применяться другие детекторы, включая другие полупроводниковые детекторы с узкой запрещенной зоной, низкотемпературные болометрические массивы или массивы сверхпроводящих туннельных переходов для счета фотонов. Особые требования к инфракрасной астрономии включают: очень низкие темные токи для обеспечения длительных времен экспозиции, соответствующие малошумящие считывающие схемы и, в некоторых случаях, очень высокое разрешение по пикселям. Низкая температура часто достигается с помощью хладагента, который может исчерпаться. Космические миссии либо завершились, либо перешли к "теплым" наблюдениям после истощения запаса хладагента. Телескоп "Евклид", запущенный в 2023 году, является миссией ESA. Кроме того, SPHEREx – это телескоп, запуск которого запланирован на 2025 год. NASA также планирует запуск космического телескопа Нэнси Грейс Роман (NGRST), первоначально известного как широкопольный инфракрасный космический телескоп (WFIRST), в 2027 году. В космосе было запущено множество других небольших космических миссий и космических детекторов инфракрасного излучения. К ним относится инфракрасный телескоп (IRT), который совершал полеты на космическом шаттле. Субмиллиметровый волновой астрономический спутник (SWAS) иногда упоминается как инфракрасный спутник, хотя он является субмиллиметровым спутником.

Обсерватории в воздухе

Для изучения неба в инфракрасном диапазоне использовались три самолетные обсерватории (другие самолеты также иногда использовались для размещения инфракрасных космических исследований). Это:

Обсерватория Галилея, миссия НАСА. Была активна в 1965–1973 годах. Воздушная обсерватория Койпера, миссия НАСА. Была активна в 1974–1995 годах. SOFIA, миссия НАСА и DLR. Была активна в 2010–2022 годах.