Инфракрасная астрономия

ИНФРАКРАСНАЯ АСТРОНОМИЯ, раздел астрономии, посвящённый исследованиям космических объектов по их излучению в ИК-диапазоне длин волн (с длиной волны от около 0,8 мкм до около 1 мм) (смотри Инфракрасное излучение). В задачи инфракрасной астрономии входит также изучение механизмов данного излучения.

ИК-излучение Солнца было открыто в 1800 У. Гершелем. В 1856 году британский астроном Ч. Пиацци-Смит с помощью термопары зарегистрировал тепловое излучение Луны. В 1878 С. Ленгли изобрёл болометр (тепловой детектор), с помощью которого было измерено тепловое излучение Солнца, Юпитера и Сатурна, а затем и некоторых наиболее ярких звёзд (Веги и Арктура). В 1920-х годах американские астрономы приступили к систематическому ИК-мониторингу ночного неба. Прогресс в развитии инфракрасной астрономии долго сдерживался отсутствием эффективных детекторов излучения. В середине 1950-х годов в астрономических исследованиях стали использоваться полупроводниковые детекторы ИК-излучения (фотосопротивления и болометры с охлаждением). В 1961 году американский астроном Ф. Лоу создал высокочувствительный полупроводниковый болометр, регистрирующий дальнее ИК-излучение. Первый космический ИК-телескоп с зеркалом и детекторами, охлаждаемыми жидким гелием, был установлен на спутнике IRAS (InfraRed Astronomical Satellite; Нидерланды, США, Великобритания, 1983).

Атмосфера Земли непрозрачна для волн ИК-диапазона (за исключением отдельных узких полос), что объясняется поглощением ИК-излучения парами воды, углекислым газом и озоном. На высоте 10-15 км водяной пар почти отсутствует, т.к. давление насыщенного водяного пара сильно зависит от температуры, понижающейся с высотой в тропосфере. Это увеличивает прозрачность атмосферы в ИК-диапазоне и позволяет проводить астрономические наблюдения в достаточно сухих областях высокогорий: в Андах (на территории Чили), на вершинах Гавайских  островов и т. п. (рис. 1, 2). В Антарктиде на высоте около 5 км строится ИК-обсерватория с 3-метровым телескопом. Полностью снять проблему поглощения волн ИК-диапазона позволяет внеатмосферная астрономия.

Объекты исследования. В инфракрасной астрономии изучается в основном холодная материя во Вселенной: межпланетная и межзвёздная пыль, холодный газ в Галактике, холодные звёзды малой массы и красные гиганты. В ИК области спектра лежит не только тепловое излучение объектов, но и часть нетеплового синхротронного излучения, вызываемого заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями в магнитном поле. Инфракрасная  астрономия исследует также зоны звездообразования - газово-пылевые облака, молодые звёзды, звёзды типа Т Тельца.

Важный объект исследования инфракрасной астрономии - тепловое реликтовое излучение (смотри Микроволновое фоновое излучение). Знание спектра и пространственной анизотропии реликтового излучения используется при построении модели ранней Вселенной. Для этого необходимо отделить реликтовое излучение от ИК-излучения более мощных источников, что осуществляется компьютерными методами (рис. 3).

ИК-спутники. Наиболее эффективные наблюдения космических объектов в ИК-диапазоне проводятся с ИСЗ. Чувствительность ИК-телескопов ограничивается собственным тепловым излучением земной атмосферы и самого телескопа, а также тепловыми и квантовыми шумами детекторов телескопа (болометров и супергетеродинных приёмников излучения). Для подавления шумов приходится охлаждать все элементы оптики (трубу и бленду телескопа): телескоп помещают в криостат с жидким гелием с температурой 2-4 К. Детекторы охлаждают до более низких температур (до нескольких сотен милликельвинов) при помощи откачки паров ³Не.

Серьёзной помехой для наблюдений в ИК-диапазоне является ИК-излучение Солнца, Луны и особенно Земли. Поэтому наилучшие результаты дают наблюдения с космических аппаратов (КА), которые могут удаляться от Земли на значительные расстояния. От солнечных лучей КА закрывают системой защитных экранов, что позволяет существенно снизить запас жидкого гелия и, соответственно, уменьшить вес КА, его стоимость и время бесперебойной работы.

На первом ИК-спутнике IRAS был установлен телескоп с диаметром главного бериллиевого зеркала 57 см, помещённый в криостат с жидким гелием объёмом 520 дм³. 64 охлаждаемых детектора регистрировали излучение в диапазоне 12-100 мкм в 4 спектральных полосах (вблизи 12, 25, 60 и 100 мкм) в основном в режиме сканирования. IRAS постоянно находился в районе терминатора на круговой почти полярной гелиосинхронной орбите (высота 900 км, наклонение 92°). Спутник весьма успешно проработал около 10 месяцев (пока не испарился запас жидкого гелия), проведя исследования всей небесной сферы. За время работы спутник зарегистрировал несколько сотен тысяч точечных источников ИК-излучения (в основном звёзды с температурой менее 3000 К, а также галактики, квазары, скопления галактик, туманностей и пылевых облаков), записал 3000 спектров умеренного разрешения. Были получены также карты ИК-излучения космической пыли с разрешением 0,3° и составлен каталог неточечных ИК-источников (главным образом газовопылевых туманностей). В частности, были обнаружены пылевые протопланетные диски вокруг звёзд (например, у Веги). Детально исследовалась обширная область звездообразования в туманности Ориона (рис. 4). IRAS стал одним из самых успешных проектов космической астрономии.

ИК-спутник ISO (Infrared Space Observatory, Европейское космическое агентство, НАСА) был запущен в ноябре 1995 на вытянутую эллиптическую орбиту. Угловое разрешение установленного на спутнике ИК-телескопа достигало 5", а поле зрения 20’. ISO исследовал отдельные дискретные источники в режиме наведения в диапазоне длин волн 2,5-240 мкм и проработал на орбите до апреля 1998 года. Схема спутника ISO приведена на рисунке 5.

Для исследования реликтового излучения были запущены спутники: «Прогноз-9» (эксперимент «Реликт», СССР, 1983), СОВЕ (Cosmic Background Explorer, США, 1989) и WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, США, 2001). В эксперименте «Реликт» зарегистрирована дипольная компонента анизотропии реликтового излучения. Со спутника СОВЕ были получены карты неба в 10 диапазонах длин волн (от 1 до 300 мкм) с угловым разрешением 40’. На WMAP было достигнуто угловое разрешение 12’. СОВЕ с высокой точностью определил температуру реликтового излучения (2,73 К) и измерил флуктуации температуры, что позволило получить представление об образовании первых структурных элементов в ранней Вселенной. За эти исследования Дж. Мазер и Дж. Смут были удостоены Нобелевской премии (2006).

Европейское космическое агентство готовит к запуску ИК-спутники «Гершель» и «Планк». Оба спутника будут выведены на орбиту одним носителем и доставлены в окрестности точки Лагранжа системы Солнце - Земля. Такое положение позволяет закрыть спутник от излучения Солнца, Земли и Луны одним и тем же экраном. «Гершель» будет наблюдать холодные или очень далёкие объекты в диапазоне длин волн 60-670 мкм. В задачи спутника «Планк» входит исследование мелких неоднородностей температуры и поляризации реликтового излучения.

Лит.: Инфракрасная астрономия / Под редакцией П. Бранказио, А. Камерона. М., 1971; Инфракрасная астрономия / Под редакцией Ч. Уинн-Уильямса, Д. Крукшенка. М., 1983; Оптические и инфракрасные телескопы 90-х гг. / Под редакцией А. Хьюит. М., 1983; Насельский П. Д., Новиков Д. И., Новиков И. Д. Реликтовое излучение Вселенной. М., 2003.