Kızılötesi astronomi

Kızılötesi astronomi deneysel kısmıdır astronomi radyasyon astronomik nesneler tarafından yayılan, kızılötesi radyasyon kullanır. Bu radyasyon, elektromanyetik spektrumun insan gözü tarafından algılanamayan bir kısmında bulunur .

2 μm'de kızılötesi ışıkta girdap galaksisi

Gözlem alanı

Termal radyasyon olarak da bilinen kızılötesi radyasyon aralığı, optik (dalga boyu> 700 nm) ve milimetre altı aralığı (<300 μm), yani 300 GHz ila 400 THz arasında bir frekans aralığı arasında yer alır ve üç aralığa bölünür,

• Yakın kızılötesi (yaklaşık 700 nm - 4 μm)
• Orta kızılötesi (4–40 μm)
• Uzak kızılötesi (40-300 μm),

Hem kızılötesi aralığın hem de alt aralıkların kesin sınırları, kaynağa bağlı olarak biraz değişir. Astronomide bu alanlar, atmosferin büyük ölçüde şeffaf olduğu dalga boyu bantlarına bölünmüştür . Bu bantlar, yalnızca ilgili dalga boylarının radyasyonunun geçmesine izin veren optik filtrelerin adlarından sonra büyük harflerle etiketlenir : I (yaklaşık 0,8 μm), Z (yaklaşık 0,9 μm), Y (yaklaşık 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) ve Q (20 μm). Bu bantların dışında, su buharı içeren hava pratik olarak opaktır.

Enstrümantal ön koşullar

Spitzer Uzay Teleskobu'nun arka planda Samanyolu'nun kızılötesi görüntüsü ile bilgisayar animasyonu

Yaklaşık 2 µm'nin üzerinde giderek daha fazla rahatsız edici olan atmosfer, teleskop ve enstrümanların kendisinden gelen ısı radyasyonu enstrüman gelişimi üzerinde büyük bir etkiye sahiptir.

Teleskopların yerleri

Kızılötesi radyasyon, dünya atmosferi tarafından, özellikle atmosferik su buharı tarafından çok güçlü bir şekilde emilir . Dünya tabanlı teleskoplarla gözlem yalnızca 1 μm'nin altında ve 40 μm'ye kadar olan birkaç küçük pencerede mümkündür . Yer tabanlı kızılötesi teleskoplar bu nedenle tercihen yüksek ve kuru yerlerde kurulur. Örnekler, Mauna Kea Gözlemevi veya Avrupa Güney Gözlemevi'nin (ESO) gözlemevidir . Antarktika'nın buz tabakaları da irtifa, soğukluk ve kuraklık nedeniyle ilgi çekicidir. Büyük teleskoplar genellikle hem optik hem de kızılötesi gözlemler için kullanılır, ancak kızılötesi gözlemler için özel olarak optimize edilmiş bazı teleskoplar da vardır.

Yükseklik arttıkça soğurma keskin bir şekilde azaldığından, kızılötesi teleskoplar 1960'lardan beri yüksekten uçan balonlarda ve balistik sondaj roketlerinde kullanılmaktadır . Yüksek uçan uçaklar ( Lear Jet Gözlemevi , Kuiper Hava Gözlemevi , SOFIA ) da 1960'lardan beri kullanılmaktadır. Uzayda, sadece atmosferik absorpsiyon kaybolmakla kalmaz, aynı zamanda daha küçük teleskopları bir bütün olarak çok düşük sıcaklıklara soğutmak ve böylelikle yıkıcı termal radyasyonlarını bastırmak da mümkündür. 1980'lerden beri, kızılötesi menzil için uzay teleskopları giderek daha fazla kullanılıyor, ilki IRAS ve ISO , diğer önemli olanlar ASTRO-F ve Herschel idi . Spitzer ve WISE şu anda (Ocak 2014) aktiftir, ancak her ikisi de sadece daha kısa dalga boylarında çünkü soğutma sıvısı tükenmiştir. James Webb Uzay Teleskobu'nun (JWST) yakın gelecekte fırlatılması bekleniyor .

Enstrümanlar

Kızılötesi astronominin enstrümanları, konsept olarak görsel astronominin kameraları ve spektrograflarına benzer . Ancak, güçlü bir şekilde soğutulmaları gerekir. Bu amaçla genellikle kriyostat veya sıvı nitrojen veya helyum ile soğutulan mekanik soğutma cihazları kullanılır . Kızılötesi z. Ancak, örneğin lensler için kullanılan optik malzemeler, görünür ışık için yaygın olarak kullanılanlardan farklıdır.

Çoğunlukla, doğrama adı verilen bir işlemde , kızılötesi aletler , incelenen nesne ile komşu gökyüzü konumu arasındaki gözlemin yönünü düzenli olarak değiştirir . Her iki pozisyonda ölçülen sinyallerin çıkarılmasıyla, kaynak arka plandan daha iyi ayrılabilir.

1990'lardan beri, yakın kızılötesi gözlemler için hava türbülansını ( görme ) düzeltmek için uyarlanabilir optikler kullanmak mümkün olmuştur . Bu şekilde, dünya tabanlı büyük teleskoplar tam kırınımla sınırlı çözünürlüklerine ulaşırlar ve bu konuda Hubble Uzay Teleskobu ile rekabet edebilirler .

Dedektörler

Kızılötesi astronominin geniş dalga boyu aralığında çeşitli tipte dedektörler kullanılmaktadır. Görsel astronomide de kullanılan normal CCD dedektörleri , yaklaşık 1 μm dalga boyuna kadar hassastır. Daha uzun dalga boyları için özel dedektörler gereklidir.

İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra, kızılötesi astronominin yükselişi kurşun sülfürden (PbS) yapılmış dedektörlerle başladı . Günümüzde indiyum antimonide InSb ve civa kadmiyum tellür (Hg, Cd) Te gibi yarı iletken malzemelerden yapılan fotodiyot prensibine dayalı dedektörler özellikle yakın kızılötesi için kullanılmaktadır . Daha uzun dalga boylarında foto direnç prensibine göre çalışan katkılı silikon (örn.Si: Ga) ve germanyumdan (örn.Ge: Ga) yapılmış dedektörler kullanılır. Ayrıca günümüzde özellikle en uzun dalga boyları için termal dedektörler ( bolometreler ) kullanılmaktadır. Bunlar, dedektördeki radyasyonun ürettiği termal enerjiyi gösterir. 1980'lere kadar, kızılötesi dedektörler neredeyse her zaman daha büyük görüntüler için gökyüzünde hareket ettirilmesi gereken ayrı ayrı dedektörlerdi. O zamandan beri, kısa dalga boyları için 2048 * 2048 elemente kadar ve uzun dalga boyları için birkaç bine kadar elementten oluşan detektör dizileri kullanıma sunulmuştur.

Kızılötesi astronominin özel özellikleri

Yıldızlararası tozun penetrasyonu

Andromeda Bulutsu 24 um kızılötesi ışık

Elektromanyetik radyasyonun yıldızlararası toz tarafından zayıflatılması ( yok oluşu ) dalga boyuna göre büyük ölçüde değişir. Yakın kızılötesinde 2 µm'de, görünür ışığa kıyasla yaklaşık 1 / 10'a düşmüştür. Bu, tozun arkasına gizlenmiş alanların gözlemlenmesini sağlar, örn. B. genç yıldızlar , galaktik merkez ve kızılötesi galaksilerin çekirdekleri .

Soğuk nesnelerin gözlemlenmesi

Göre radyasyonun Planck'ın hukuk, gibi soğuk gök cisimleri B. Kahverengi cüceler veya yıldızlar , esas olarak kızılötesi moleküler bulutlara hala derinden gömülüdür . Yıldızlararası ortamda yaygın olarak bulunan birçok atom, iyon ve molekül , kızılötesinde önemli radyasyon geçişlerine sahiptir. Kızılötesi spektroskopi, özellikle birkaç yüz Kelvin sıcaklıklarda gazın bileşimini ve fiziksel koşullarını belirlemek için uygundur . Yıldızlararası ortamdaki soğuk (<100 Kelvin) toz, soğurulan ışığı uzak kızılötesinde yeniden yayar ve genellikle astronomik nesnelerin enerji dengesine büyük bir katkı sağlar. Orta kızılötesinde, yıldızlararası ortamda polisiklik aromatik hidrokarbonlarla ilişkili güçlü organik bileşik emisyonu vardır .

Yüksek kırmızıya kaymada gözlemler

Kozmolojik kırmızıya kayma nedeniyle , erken evrende galaksiler tarafından yayılan görünür veya UV ışığı Dünya'da yakın kızılötesi olarak gözlemlenir. Bu örn. B. James Webb Uzay Teleskobu'nun tasarımı için çok önemlidir .

Gözlem nesneleri ve bilimsel hedefler

Güneş sisteminde

Gezegenler , uydular , kuyruklu yıldızlar ve asteroitler içinde güneş sisteminin yoğun kızılötesi gözlenmektedir. IRAS'tan z. B. asteroit kuşağı alanında, muhtemelen asteroit kuşağı içindeki çarpışmalardan kaynaklanan bazı yeni asteroitler ve kuyruklu yıldızların yanı sıra üç toz şeridi keşfetti . Yeni bir hedef, Kuiper Kuşağı ve Oort Bulutu'nun Neptün ötesi nesnelerinin özellikleridir .

Samanyolu'nda

Samanyolu merkezinin farklı dalga boylarında karşılaştırılması

Samanyolu'ndaki birçok kızılötesi gözlem, yıldızların nasıl oluştuğunu anlamayı amaçlamaktadır. Tüm gelişim aşamalarındaki genç yıldızlar ve kahverengi cüceler için yapılan geniş çaplı aramalar, yüksek çözünürlüklü görüntüler ve spektroskopi ile birleştirilir. Yıldızların etrafındaki toz diskleri, diğer yıldızlar etrafında gezegen sistemlerinin oluşumunun ve gelişiminin ilk işaretleriydi. Gelen galaktik merkezin , en yakın süper kütleli çevresi karadelik ediliyor incelenen kızılötesi içinde . Samanyolu'ndaki kızılötesi astronominin bir başka hedefi, evrimleşmiş yıldızlar ve kütlesel fırlatılmasıdır.

Kızılötesi spektroskopi, yıldızlararası ortamın durumunu ve kimyasal bileşimini incelemek için kullanılır. IRAS ayrıca yüksek galaktik enlemlere uzanan dağınık kızılötesi radyasyon ve ipliksi toz bulutlarını keşfetti.

Samanyolu Dışında

Samanyolu'nun ve diğer galaksilerin çoğunun aksine , kızılötesi galaksiler toplam parlaklıklarının % 99'unu uzak kızılötesi olarak yayarlar . Diğer galaksilerle etkileşimler ve çarpışmalar onların oluşumuna katkıda bulunur. Kızılötesi astronomi , yıldız patlamaları ve aktif galaksi çekirdeklerindeki yüksek yıldız oluşum oranlarının bu fenomene katkısını inceler .

Erken evrendeki galaksilerin evrimi, kızılötesinde giderek daha yoğun bir şekilde inceleniyor. Yakın kızılötesinde, bu galaksilerin yıldızlarının kırmızıya kaymış ışığı gözlenir, uzak kızılötesi ve milimetre altı aralığında kısım tozla yutulur ve tekrar yayılır.

Tarihsel gelişim ve görünüm

William Herschel 1800'de güneşin kızılötesi radyasyonunu keşfettikten sonra , Charles Piazzi Smyth, 1856'da ilk kez ay ışığı tayfındaki bir kızılötesi bileşeni tespit edebildi. William Coblentz, 1915'ten 110 yıldızdan kızılötesi radyasyonu tespit edebildi ve IR spektroskopisinin kurucularından biri olarak kabul ediliyor . Bu erken ölçümler çoğunlukla bolometreler veya termokupllarla elde edildi .

1950'lerde kurşun sülfür (PbS) dedektörleri, yakın kızılötesinde hassasiyette bir sıçrama getirdi. Yakın ve orta kızılötesi için daha sonraki birçok dedektör geliştirmesinde olduğu gibi, astronomi burada hassas dedektör sistemlerine olan askeri ilgiden yararlandı, örn. B. uçakları ve füzeleri izlemek için. 1960 civarında Harold L. Johnson ve arkadaşları kızılötesi için ilk fotometrik sistemi geliştirdiler . 1963 yılında Mars'ın kızılötesi gözlemleri ilk balon görevleriyle gerçekleştirildi ve 1967 gibi erken bir tarihte tüm gökyüzünün orta kızılötesinde ilk haritalanması bir dizi roket uçuşu ile gerçekleştirildi ve bu sırada 2000'den fazla kızılötesi kaynak keşfedildi. sadece 30 dakikalık toplam gözlem süresi. Aynı yıl, bugün hala en büyük kızılötesi teleskopları barındıran Mauna Kea Gözlemevi kuruldu. 1970'lerin başında, askeri bir C-141A nakliye jeti, 1974'ten itibaren Kuiper Hava Gözlemevi (KAO) 14 km yükseklikte gözlemler gerçekleştiren kızılötesi bir teleskopa dönüştürüldü .

Bununla birlikte, kızılötesi astronomideki atılım, 1980'lerde ilk uydu görevleriyle geldi. 1983'te IRAS gökyüzünü taradı . 1989'da COBE başlatıldı ve kozmik fon radyasyonunun anizotropilerini keşfetti . 1995 , kızılötesi için kamera, fotometre ve spektrometre ile ilk gerçek uzay gözlemevi olan Kızılötesi Uzay Gözlemevi'ni (ISO) izledi . 1997'de Hubble uzay teleskobu, kızılötesi cihaz NICMOS ile yükseltildi ve 2003'te Spitzer uzay teleskopu piyasaya sürüldü. Planck , Herschel ve WISE misyonları 2009'da başladı .

Kızılötesi astronominin gelişimi şu anda iki ana yönde ilerliyor:

• Çok Büyük Teleskop Girişimölçerinde ( VLTI ) olduğu gibi uyarlanabilir optikler veya girişimölçer kullanarak yerden en yüksek uzaysal çözünürlüğe sahip gözlemler . Avrupa Aşırı Büyük Teleskopu gibi planlanmış dev teleskoplar, uyarlanabilir optikler olmadan düşünülemez.
• uçak ve uydu teleskoplarının hassasiyetinin daha da artması. James Webb Uzay Teleskobu şu anda yapım aşamasında ve 2021'de tamamlanması bekleniyor ; SOFIA uçak gözlemevi halihazırda uygulanmıştır . Projeler takip içinde 2000'li gibi NASA'nın Karasal Gezegen Bulucu ve ESA'nın Darwin Teleskobu doğrudan gözlem hangi ile exosolar gezegenler mümkün olurdu ilk defa belirsiz bir süre için ertelendi ya uygulanmadı.

Edebiyat

• Ian Glass: Kızılötesi Astronomi El Kitabı . Cambridge University Press, Cambridge 1999, ISBN 0-521-63311-7 (Teknik Temeller).
• Ian S. McLean: Dizili kızılötesi astronomi - yeni nesil. Kluwer, Dordrecht 1994, ISBN 0-7923-2778-0
• Rudolf A. Hanel: Kızılötesi uzaktan algılama ile güneş sisteminin keşfi. Cambridge Üniv. Basın, Cambridge 2003, ISBN 0-521-81897-4
• Low, FJ , Rieke, GH, Gehrz, RD, The Beginning of Modern Infrared Astronomy , Ann. Rev. Astron. Astrophys. 45, 43-75 (2007)
• David L. Clements: Kızılötesi astronomi - ısıyı görmek. CRC Press, Boca Raton 2015, ISBN 978-1-4822-3727-6 .
• Thorsten Dambeck: Yeni bir ışıkla: yıldızların doğumu ve ölümü . Bild der Wissenschaft , 10/2008, s. 46-52, ISSN  0006-2375

İnternet linkleri

• Alman SOFIA Inst., Kızılötesi Astronominin Temelleri: [1]
• Kızılötesi Astronomi Eğitimi (İngilizce)
• Çok Dalgaboyu Astronomi Galerisi
• Kızılötesi İşleme ve Analiz Merkezi - kızılötesi astronomi için bilim ve veri merkezi

Bireysel kanıt

1. ↑ Kızılötesi Teleskoplar, s. 501-512: Jingquan Cheng: Astronomik teleskop tasarımının ilkeleri. Springer, New York 2009, ISBN 978-0-387-88790-6 .