Инфракрасная астрономия

Туманность Киля в инфракрасном свете

Инфракра́сная астроно́мия — раздел наблюдательной астрономии и астрофизики, исследующий объекты и процессы в нашей галактике, а также за её пределами, их состав, температуру, структуру в инфракрасном диапазоне магнитного спектра.

История

Первооткрывателем инфракрасного излучения стал английский астрономом Уильям Гершель. В 1800 году он, пропустив солнечный свет через пирамиду, получил спектр (радугу, возникающую при разделении света на цвета). Затем, измерив температуру каждой из частей спектра с помощью термометра, обнаружил, что она возрастает от фиолетовой к красной области. Но выше всего она оказалась за пределами спектра, рядом с красной его частью. Тогда учёный сделал вывод о существовании тепловых лучей, невидимых глазу.

Искать на звёздном небе космические объекты, спектр излучаемой энергии которых лежит за пределами видимого диапазона, начали только после открытий в радиоастрономии. В 1960-х годах первыми изучили небо в ближнем инфракрасном диапазоне ученые из обсерватории Маунт Вильсон и обнаружили более 20 тысячи инфракрасных источников, невидимых в обычный телескоп. Результаты оказались настолько впечатляющими, что этот метод изучения Вселенной стал одним из перспективных. Но до появления космических обсерваторий в 1980-х годах его возможности были ограничены, так как метод позволял проводить наблюдения с поверхности Земли только в «окнах прозрачности» — несколько диапазонов волн, которые, несмотря на помехи, создаваемые атмосферой, позволяют наблюдать за космическими ИК-источниками. Чтобы минимизировать влияние излучения и флуктации эмиссии атмосферы, которые приводят к размытию изображения и снижают проницающую способность оптики, телескопы устанавливают в высокогорных районах.

Вывод инфракрасных телескопов в космос расширил возможности астрономии, так как позволил изучать Вселенную также в средне- и длинноволновых инфракрасных диапазонах. Были открыты тысячи новых источников излучения, которые не были видны в ближнем диапазоне. Инфракрасная астрономия стала одним из инструментов изучения многих космических объектов и событий.

Классификация

Инфракрасное излучение находится в области длин волн от 0,8 мкм (красная граница видимой области) до 1 мм (условная граница раздела с радиодиапазоном) и делится на три диапазона:

• ближний (от 0,8 до 5 мкм), — дает густой красный цвет;
• средний (5-35 мкм) — невидимый, практически не проходит через атмосферу Земли, поэтому для его наблюдения нужны космические телескопы;
• дальний (от 15 мкм до 1 мм) — в нём наблюдают звездные газы;
• субмиллиметровый (0,1 мм) — дает, в основном, реликтовое излучение, появившееся на ранней стадии расширения Вселенной.

Методы ИК-астрономии

Инфракрасная фотометрия. Измеряет интенсивность инфракрасного излучения с помощью детекторов и фильтров в разных диапазонах спектра для получения информации о температуре и составе объектов.

Инфракрасная спектроскопия. Изучает спектры инфракрасного излучения. Использование спектрографов позволяет разложить на составляющие длины волн, чтобы узнать химический состав и физические свойства объектов.

Интерферометрия. Используется для получения детальной информации о структуре и форме объектов с помощью комбинирования сигналов от разных телескопов. Это позволяет повысить разрешение и точность измерений.

Преимущества ИК-астрономии

Инфракрасная астрономия изучает относительно холодные объекты с температурой от 3 до 3000 К: звезды поздних спектральных классов и находящиеся в стадии звёздообразования, малые тела и планеты, квазары, газопылевые облака, окружающие молодые звезды.

Так как большая часть энергии планет, спутников и астероидов сосредоточена в инфракрасном диапазоне, наблюдение за ними в ИК-диапазоне является одним из основных методов. Спектрометрия позволяет:

• определить тепловую структуру и химический состав атмосферы планет, а также звёзд на начальных стадиях образования (особенно красных гигантов);
• исследовать галактики с активными ядрами и квазары, а также районы Галактики, скрытые за межзвездной пылью.

Достижения ИК-астрономии

С помощью инфракрасной астрономии были сделаны ряд важнейших открытий и наблюдений.

• Обнаружены: внутреннее энерговыделения Сатурна и Юпитера; водяной лед на поверхности спутников планет-гигантов; метановый лед на поверхности Плутона; яркие компактные источники инфракрасных излучений в плотных газопылевых облаках, у которых отсутствовало тепловое радиоизлучение.
• Проведены наблюдения колец Урана и Юпитера на длине волн 2,2 мкм.
• Определена структура атмосфер планет-гигантов.
• Открыта флуктуация спектра инфракрасного излучения комет и их связь с динамикой кометных хвостов.

Инфракрасные телескопы

С 1990 года на орбиту выведен самый мощный универсальный телескоп «Хаббл», который в ультрафиолетовом, видимом, а также ближнем инфракрасном диапазонах. В 2003 году запущен инфракрасный телескоп «Спитцер» — на момент запуска крупнейший в мире. В 2009 году была запущена инфракрасная обсерватория «Гершель», с самым большим цельным зеркалом диаметром 3,5 метра и гетеродинным датчиком для дальнего ИК-излучения. В 2021 запущен телескоп «Джеймс Уэбб», который работает в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне — промежуточный вариант между «Хабблом» и «Спитцером». Главное объективное зеркало телескопа — складное (состоит из 18 шестигранных фрагментов), которое раскрывается после вывода на заданную точку. Его диаметр — 6,5 метров.

Основная задача при работе телескопов, работающих в среднем инфракрасном диапазоне — минимизировать излучение как самих приборов, так и окружающих объектов. Для этого их остужают гелием. «Спитцер» проработал недолго. Его вывели на максимально дальнюю орбиту, но когда гелий испарился, телескоп ослеп. Учёные рассчитывают, что «Джеймс Уэбб» проработает не менее десяти лет, но надеются, на тридцать, как с «Хабблом». Чтобы оградить его от внешних источников тепла (Солнце и Земля) охлаждение обеих камер «Уэбба» (ближнего и среднего инфракрасного диапазона), предусмотрено пассивное охлаждение при помощи «зонтика», защищающего телескоп от солнечного света. Вся аппаратура охлаждается примерно до 40 К. Для охлаждения приборов среднего инфракрасного диапазона, которым требуется ещё более низкая температура, предусмотрено дополнительное охлаждение гелием. Но он не испаряется, как это было с телескопом «Спитцер», а снова сжижается и запускается в контур охлаждения. Замкнутый цикл охлаждения позволит долгое время держать температуру для приемников среднего инфракрасного диапазона — 7 К.

В отличие от «Хаббла», находящегося недалеко от Земли, «Уэбб» находится от Земли в точке Лагранжа L₂ в 1,5 миллионах километров.

Сегодня усилия учёных направлены на то, чтобы максимально оградить оптику телескопа от рассеянного света. В перспективе — появление специального экрана размером с футбольное поле. Он должен отлететь от телескопа на несколько десятков тысяч километров и, развернувшись закрыть свет от звёзд, рядом с которыми есть интересные для изучения планеты. Это позволит сделать снимки поверхности планет и изучить их географию.

См. также

• Инфракрасная фотография
• Инфракрасная спектроскопия
• Спитцер (космический телескоп)
• Гершель (космическая обсерватория)
• SOFIA

Примечания

Ссылки

• Засов А. Инфракрасная Вселенная // Научно-популярная лекция на Elementy.ru