Infraröd astronomi

Den infraröda astronomin är en experimentell del av astronomin , som strålningen som emitteras av astronomiska objekt använder infraröd strålning . Denna strålning ligger i en del av det elektromagnetiska spektret som inte kan uppfattas av det mänskliga ögat .

Whirlpool galax i infrarött ljus vid 2 μm

Observationsområde

Det infraröda strålningsområdet, även känt som termisk strålning , ligger mellan det optiska (våglängden> 700 nm) och submillimeterområdet (<300 μm), dvs. ett frekvensområde mellan 300 GHz och 400 THz och är uppdelat i tre områden,

• Nära infraröd (ca 700 nm - 4 μm)
• Mitten av infraröd (4-40 μm)
• Långt infraröd (40-300 μm),

de exakta gränserna för både det infraröda området och delområdena varierar något beroende på källa. I astronomi delas dessa områden vidare in i våglängdsband där atmosfären till stor del är transparent . Dessa band betecknas med stora bokstäver efter namnen på de optiska filtren som endast tillåter strålning av motsvarande våglängder att passera: I (cirka 0,8 μm), Z (cirka 0,9 μm), Y (cirka 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) och Q (20 μm). Utanför dessa band är luft som innehåller vattenånga praktiskt taget ogenomskinlig.

Instrumentella förutsättningar

En datoranimation av Spitzer rymdteleskop med en infraröd bild av Vintergatan i bakgrunden

Värmestrålningen från atmosfären, teleskopet och själva instrumenten, som är mer och mer störande över cirka 2 µm, formar till stor del instrumentutvecklingen.

Platser för teleskop

Infraröd strålning absorberas mycket starkt av jordens atmosfär , särskilt av atmosfärisk vattenånga. Observation med jordbaserade teleskop är endast möjlig under 1 μm och i några små fönster upp till cirka 40 μm . Markbaserade infraröda teleskop ställs därför helst upp på höga och torra platser. Exempel är Mauna Kea Observatory eller observatorierna för European Southern Observatory (ESO). De inlandsisar i Antarktis är också av intresse på grund av sin höjd, kyla och torka. Stora teleskop används ofta för både optiska och infraröda observationer, men det finns också vissa teleskop speciellt optimerade för infraröda observationer.

Eftersom absorptionen minskar kraftigt med ökande höjd har infraröda teleskop använts i högflygande ballonger och ballistiska raketer sedan 1960-talet . Högflygande flygplan ( Lear Jet Observatory , Kuiper Airborne Observatory , SOFIA ) har också använts sedan 1960-talet . I rymden försvinner inte bara den atmosfäriska absorptionen, det är också möjligt att kyla mindre teleskop som helhet till mycket låga temperaturer och därmed undertrycka deras störande värmestrålning. Sedan 1980-talet har rymdteleskop för det infraröda området använts mer och mer, de första var IRAS och ISO , andra viktiga var ASTRO-F och Herschel . Spitzer och WISE är för närvarande (jan 2014) aktiva, men båda bara vid kortare våglängder eftersom kylvätskan har förbrukats. James Webb Space Telescope (JWST) förväntas lanseras inom överskådlig framtid .

Instrument

Instrumenten för infraröd astronomi liknar konceptet kameror och spektrografer av visuell astronomi . De måste dock kylas kraftigt. Vanligtvis används kryostater eller mekaniska kylanordningar kylda med flytande kväve eller helium för detta ändamål . Infraröd z. Emellertid skiljer sig optiska material som används till exempel för linser från de som vanligtvis används för synligt ljus.

I en process som kallas hugga ändrar infraröda instrument ofta observationsriktningen mellan det undersökta objektet och en närliggande himmelposition. Genom att subtrahera de uppmätta signalerna i båda positionerna kan källan separeras bättre från bakgrunden.

Sedan 1990-talet har det varit möjligt att använda adaptiv optik för att korrigera luftturbulens ( se ) för observationer i nära infraröd . På detta sätt uppnår stora jordbaserade teleskop sin fulla diffraktionsbegränsade upplösning och kan konkurrera med Hubble-rymdteleskopet i detta avseende .

Detektorer

Flera typer av detektorer används inom det breda våglängdsintervallet för infraröd astronomi. Normala CCD- detektorer , som också används i visuell astronomi, är känsliga upp till en våglängd på cirka 1 μm . Speciella detektorer krävs för längre våglängder.

Efter andra världskriget började uppkomsten av infraröd astronomi med detektorer gjorda av blysulfid (PbS). Idag används detektorer baserade på fotodiodens princip , tillverkade av halvledarmaterial som indiumantimonid InSb och kvicksilverkadmium tellurid (Hg, Cd) Te, speciellt för den nära infraröda . Detektorer gjorda av dopat kisel (t.ex. Si: Ga) och germanium (t.ex. Ge: Ga) som arbetar enligt fotoresistensprincipen används vid längre våglängder. Dessutom används termiska detektorer ( bolometrar ) idag, särskilt för de längsta våglängderna . Dessa visar den termiska energi som genereras av strålningen i detektorn. Fram till 1980-talet var infraröda detektorer nästan alltid enskilda detektorer som måste flyttas över himlen för större bilder. Sedan dess har detektorarrayer med upp till 2048 * 2048 element för korta våglängder och upp till några tusen element för långa våglängder blivit tillgängliga.

Särskilda funktioner i infraröd astronomi

Genomträngning av interstellärt damm

Den Andromeda Nebula i infrarött ljus vid 24 | j, m

Dämpningen ( utrotning ) av elektromagnetisk strålning av det interstellära dammet varierar kraftigt med våglängden. Vid 2 µm i nära infraröd har den redan minskat till cirka 1/10 jämfört med synligt ljus. Områden gömda bakom damm kan således observeras, t.ex. B. unga stjärnor , det galaktiska centrumet och kärnorna i infraröda galaxer .

Observation av kalla föremål

Enligt Plancks lag om strålning, kalla himlakroppar som B. Bruna dvärgar eller stjärnor fortfarande djupt inbäddade i molekylära moln, främst i det infraröda. Många atomer, joner och molekyler som är vanliga i det interstellära mediet har viktiga strålningsövergångar i det infraröda. Infraröd spektroskopi är särskilt lämplig för att bestämma gasens sammansättning och fysiska förhållanden med temperaturer på några hundra Kelvin . Kallt (<100 Kelvin) damm i det interstellära mediet avger det absorberade ljuset igen i det yttersta infraröda området och är ofta ett stort bidrag till astronomiska föremåls energibalans. I det mellersta infrarödet finns det starka utsläpp av organiska föreningar i det interstellära mediet som är relaterade till polycykliska aromatiska kolväten .

Observationer vid hög rödförskjutning

På grund av den kosmologiska rödförskjutningen observeras det synliga eller UV-ljuset som utsänds av galaxer i det tidiga universum på jorden i det nära infraröda området. Detta är t.ex. B. avgörande för utformningen av James Webb Space Telescope .

Objekt av observation och vetenskapliga mål

I solsystemet

Planeter , satelliter , kometer och asteroider i solsystemet observeras intensivt i det infraröda. Från IRAS z. B. upptäckte några nya asteroider och kometer samt tre dammband i asteroidbältets område , som förmodligen orsakades av kollisioner i asteroidbältet. Ett nytt mål är egenskaperna för transneptuniska föremål av Kuiperbältet och Oortmolnet .

I Vintergatan

Jämförelse av Vintergatans centrum vid olika våglängder

Många infraröda observationer i Vintergatan syftar till att förstå hur stjärnor bildas. Storskaliga sökningar efter unga stjärnor i alla utvecklingsstadier och efter bruna dvärgar kombineras med högupplösta bilder och spektroskopi. Cirkumstellära dammskivor var de första tecknen på bildandet och utvecklingen av planetsystem runt andra stjärnor. I Galactic Center undersöks närheten till närmaste supermassiva svarta hål i det infraröda området . Utvecklade stjärnor och deras massutkastning är ett annat mål för infraröd astronomi i Vintergatan.

Infraröd spektroskopi används för att studera tillståndet och den kemiska sammansättningen av det interstellära mediet. IRAS har också upptäckt diffus infraröd strålning och trådformiga dammmoln som sträcker sig till höga galaktiska breddgrader.

Utanför Vintergatan

Till skillnad från Vintergatan och de flesta andra galaxer, avger infraröda galaxer upp till 99% av sin totala ljusstyrka i det yttersta infraröda. Interaktioner och kollisioner med andra galaxer bidrar till deras bildning. Infraröd astronomi studerar bidraget från höga stjärnbildningshastigheter i stjärnbrister och aktiva galaxkärnor till detta fenomen.

Utvecklingen av galaxer i det tidiga universum studeras mer och mer intensivt i det infraröda. I det nära infraröda iakttas det röda skiftade ljuset från stjärnorna i dessa galaxer, i det avlägsna infraröda och submillimeterområdet är den del som sväljs av damm och avges igen.

Historisk utveckling och syn

Efter att William Herschel upptäckte solens infraröda strålning 1800 kunde Charles Piazzi Smyth upptäcka en infraröd komponent i spektrumet av månsken för första gången 1856 . William Coblentz kunde detektera infraröd strålning från 110 stjärnor från 1915 och anses vara en av grundarna av IR-spektroskopi . Dessa tidiga mätningar erhölls mestadels med bolometrar eller termoelement .

På 1950-talet ledde blysulfid (PbS) -detektorerna ett steg i känslighet i det nära infraröda området. Som med många senare detektorutvecklingar för nära och mellaninfraröd, gynnades astronomi av det militära intresset för känsliga detektorsystem, t.ex. B. för att spåra flygplan och missiler. Cirka 1960 utvecklade Harold L. Johnson och medarbetare det första fotometriska systemet för infrarött. 1963 genomfördes infraröda observationer av Mars med de första ballonguppdragen och så tidigt som 1967 genomfördes den första kartläggningen av hela himlen i mitten av infraröd med en serie raketflygningar, under vilka mer än 2000 infraröda källor upptäcktes med en total observationstid på endast 30 minuter. Samma år grundades Mauna Kea Observatory, som fortfarande rymmer de största infraröda teleskopen idag. I början av 1970-talet omvandlades en militär C-141A transportstråle till ett infrarött teleskop , som från 1974 och framåt som Kuiper Airborne Observatory (KAO) utförde observationer på en höjd av 14 km.

Genombrottet inom infraröd astronomi kom dock på 1980-talet med de första satellituppdragen. 1983 skannade IRAS himlen. 1989 startade COBE och upptäckte anisotropier av den kosmiska bakgrundsstrålningen . 1995 följde med Infraröda rymdobservatoriet (ISO) det första riktiga rymdobservatoriet för infrarött med kamera, fotometer och spektrometer. 1997 uppgraderades rymdteleskopet Hubble med det infraröda instrumentet NICMOS och 2003 lanserades rymdteleskopet Spitzer . 2009 startade Planck , Herschel och WISE- uppdragen .

Utvecklingen av infraröd astronomi går för närvarande i två huvudriktningar:

• Observationer med den högsta rumsliga upplösningen från marken, med adaptiv optik eller interferometri som på Very Large Telescope Interferometer ( VLTI ). Planerade jätte-teleskop som det europeiska extremt stora teleskopet är otänkbara utan adaptiv optik.
• ytterligare ökad känslighet hos flygplan och satellitteleskop. Rymdteleskopet James Webb är för närvarande under uppbyggnad och ska vara färdigt 2021; SOFIA- flygplansobservatoriet har redan implementerats . Projekt som bedrevs på 2000-talet som NASA: s Terrestrial Planet Finder och ESA: s Darwin Telescope , med vilken direkt observation av exosolära planeter skulle ha varit möjlig för första gången, har skjutits upp på obestämd tid eller har inte genomförts.

litteratur

• Ian Glass: Handbok för infraröd astronomi . Cambridge University Press, Cambridge 1999, ISBN 0-521-63311-7 (Tekniska grunder).
• Ian S. McLean: Infraröd astronomi med matriser - nästa generation. Kluwer, Dordrecht 1994, ISBN 0-7923-2778-0
• Rudolf A. Hanel: Utforskning av solsystemet genom infraröd fjärranalys. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2003, ISBN 0-521-81897-4
• Låg, FJ , Rieke, GH, Gehrz, RD, början på modern infraröd astronomi , Ann. Pastor Astron. Astrofys. 45, 43-75 (2007)
• David L. Clements: Infraröd astronomi - ser värmen. CRC Press, Boca Raton 2015, ISBN 978-1-4822-3727-6 .
• Thorsten Dambeck: I ett nytt ljus: stjärnornas födelse och död . Bild der Wissenschaft , 10/2008, s. 46-52, ISSN  0006-2375

webb-länkar

• Tyska SOFIA Inst., Grunderna för infraröd astronomi: [1]
• Infraröd astronomitutorial (engelska)
• Multivavelength Astronomy Gallery
• Centrum för infraröd bearbetning och analys - vetenskap och datacenter för infraröd astronomi

Individuella bevis

1. ↑ Infraröda teleskop, s. 501-512 i: Jingquan Cheng: Principerna för astronomisk teleskopdesign. Springer, New York 2009, ISBN 978-0-387-88790-6 .