ИНФРАКРА́СНАЯ АСТРОНО́МИЯ

ИНФРАКРА́СНАЯ АСТРОНО́МИЯ, раз­дел ас­тро­но­мии, по­свя­щён­ный ис­сле­до­ва­ни­ям кос­мич. объ­ек­тов по их из­лу­че­нию в ИК-диа­па­зо­не длин волн (с дли­ной вол­ны от ок. 0,8 мкм до ок. 1 мм) (см. Ин­фра­крас­ное из­лу­че­ние). В за­да­чи И. а. вхо­дит так­же изу­че­ние ме­ха­низ­мов дан­но­го из­лу­че­ния.

Архив БРЭ Рис. 1. 10-метровый инфракрасный телескоп, установленный на высоте 4 км над уровнем моря на Гавайских островах.

ИК-из­лу­че­ние Солн­ца бы­ло от­кры­то в 1800 У. Гер­ше­лем. В 1856 брит. 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 гг. амер. ас­тро­но­мы при­сту­пи­ли к сис­те­ма­тич. ИК-мо­ни­то­рин­гу ноч­но­го не­ба. Про­гресс в раз­ви­тии И. а. дол­го сдер­жи­вал­ся от­сут­ст­ви­ем эф­фек­тив­ных де­тек­то­ров из­лу­че­ния. В сер. 1950-х гг. в ас­тро­но­мич. ис­сле­до­ва­ни­ях ста­ли ис­поль­зо­вать­ся по­лу­про­вод­ни­ко­вые де­тек­то­ры ИК-из­лу­че­ния (фо­то­со­про­тив­ле­ния и бо­ло­мет­ры с ох­ла­ж­де­ни­ем). В 1961 амер. ас­тро­ном Ф. Лоу соз­дал вы­со­ко­чув­ст­ви­тель­ный по­лу­про­вод­ни­ко­вый бо­ло­метр, ре­ги­ст­ри­рую­щий даль­нее ИК-из­лу­че­ние. Пер­вый кос­мич. ИК-те­ле­скоп с зер­ка­лом и де­тек­то­ра­ми, ох­ла­ж­дае­мы­ми жид­ким ге­ли­ем, был ус­та­нов­лен на спут­ни­ке IRAS (In­fraRed Astronomical Satellite; Ни­дер­лан­ды, США, Ве­ли­ко­бри­та­ния, 1983).

Рис. 2. Эскиз обсерватории ALMA, строящейся в пустыне Атакама на высоте 5 км над уровнем моря. Телескоп апертурного синтеза (интерферометр) для наблюдений источников в диапазоне длин волн 250–65...

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

Объекты исследования

В И. а. изу­ча­ет­ся в осн. 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. И. а. ис­сле­ду­ет так­же зо­ны звез­до­об­ра­зо­ва­ния – га­зо­во-пы­ле­вые об­ла­ка, мо­ло­дые звёз­ды, звёз­ды ти­па Т Тель­ца.

Рис. 3. Инфракрасное изображение всей небесной сферы по наблюдениям со спутника COBE: (а) за вычетом дискретных источников, (б) удалено излучение зодиакального света, (в) удалены все галактические ист...

Важ­ный объ­ект ис­сле­до­ва­ния И. а. – те­п­ло­вое ре­лик­то­вое из­лу­че­ние (см. 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 кос­мич. объ­ек­тов в ИК-диа­па­зо­не про­во­дят­ся с ИСЗ. Чув­ст­ви­тель­ностьИК-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 темп-рой 2–4 К. Де­тек­то­ры ох­ла­ж­да­ют до бо­лее низ­ких тем­пе­ра­тур (до не­сколь­ких со­тен мил­ли­кель­ви­нов) при по­мо­щи от­кач­ки па­ров $\ce{^3Не}$.

Серь­ёз­ной по­ме­хой для на­блю­де­ний в ИК-диа­па­зо­не яв­ля­ет­ся ИК-из­лу­че­ние Солн­ца, Лу­ны и осо­бен­но Зем­ли. Поэ­то­му наи­луч­шие ре­зуль­та­ты да­ют на­блю­де­ния с кос­мич. ап­па­ра­тов (КА), ко­то­рые мо­гут уда­лять­ся от Зем­ли на зна­чит. 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.

Рис. 4. Изображение туманности Ориона в инфракрасном диапазоне длин волн.

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 осн. в ре­жи­ме ска­ни­ро­ва­ния. IRAS по­сто­ян­но на­хо­дил­ся в рай­оне тер­ми­на­то­ра на кру­го­вой поч­ти по­ляр­ной ге­лио­син­хрон­ной ор­би­те (выс. 900 км, на­кло­не­ние 92°). Спут­ник весь­ма ус­пеш­но про­ра­бо­тал ок. 10 мес (по­ка не ис­па­рил­ся за­пас жид­ко­го ге­лия), про­ве­дя ис­сле­до­ва­ния всей не­бес­ной сфе­ры. За вре­мя ра­бо­ты спут­ник за­ре­ги­ст­ри­ро­вал неск. со­тен ты­сяч то­чеч­ных ис­точ­ни­ков ИК-из­лу­че­ния (в осн. звёз­ды с темп-рой ме­нее 3000 К, а так­же га­лак­ти­ки, ква­зары, ско­п­ле­ния га­лак­тик, ту­ман­но­стей и пы­ле­вых об­ла­ков), за­писал 3000 спек­тров уме­рен­но­го раз­реше­ния. Бы­ли по­лу­че­ны так­же кар­ты ИК-из­лу­че­ния кос­мич. пы­ли с раз­ре­ше­ни­ем 0,3° и со­став­лен ка­та­лог не­то­чеч­ных ИК-ис­точ­ни­ков (гл. обр. га­зо­во-пы­ле­вых ту­ман­но­стей). В ча­ст­но­сти, бы­ли об­на­ру­же­ны пы­ле­вые про­то­пла­нет­ные дис­ки во­круг звёзд (напр., у Ве­ги). Де­таль­но ис­сле­до­ва­лась об­шир­ная об­ласть звез­до­об­ра­зо­ва­ния в ту­ман­но­сти Орио­на (рис. 4). IRAS стал од­ним из са­мых ус­пеш­ных про­ек­тов кос­мич. ас­тро­но­мии.

Рис. 5. Схема инфракрасного спутника ISO: 1 – ферма для стыковки с ракетой-носителем; 2 – служебный модуль (источники питания, система наведенияи ориентации и др.); 3 – защитный экра...

ИК-спут­ник ISO(Infrared Space Ob­ser­vatory, Ев­роп. кос­мич. агент­ст­во, НАСА) был за­пу­щен в но­яб. 1995 на вы­тя­ну­тую эл­лип­тич. ор­би­ту. Уг­ло­вое раз­ре­ше­ние ус­та­нов­лен­но­го на спут­ни­ке ИК-те­ле­ско­па дос­ти­га­ло 5g, а по­ле зре­ния 20′. ISO ис­сле­до­вал отд. дис­крет­ные ис­точ­ни­ки в ре­жи­ме на­ве­де­ния в диа­па­зо­не длин волн 2,5–240 мкм и про­ра­бо­тал на ор­би­те до апр. 1998. Схе­ма спут­ни­ка ISO при­ве­де­на на рис. 5.

Для ис­сле­до­ва­ния ре­лик­то­во­го из­лу­че­ния бы­ли за­пу­ще­ны спут­ни­ки: «Про­гноз-9» (экс­пе­ри­мент «Ре­ликт», СССР, 1983), COBE (Cosmic Baсkground Ex­plorer, США, 1989) и WMAP (Wilkin­son Microwave Anisotropy Probe, США, 2001). В экс­пе­ри­мен­те «Ре­ликт» за­ре­ги­ст­ри­ро­ва­на ди­поль­ная ком­по­нен­та ани­зо­тро­пии ре­лик­то­во­го из­лу­че­ния. Со спут­ни­ка COBE 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′ . COBE с вы­со­кой точ­но­стью оп­ре­де­лил темп-ру ре­лик­то­во­го из­лу­чения (2,73 К) и из­ме­рил флук­туа­ции темп-ры, что по­зво­ли­ло по­лу­чить пред­став­ле­ние об об­ра­зо­ва­нии пер­вых струк­тур­ных эле­мен­тов в ран­ней Все­лен­ной. За эти ис­сле­до­ва­ния Дж. Ма­зер и Дж. Смут бы­ли удо­стое­ны Но­бе­лев­ской пр. (2006).

Ев­ропейское кос­мич. 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 темп-ры и по­ля­ри­за­ции ре­лик­то­во­го из­лу­че­ния.