Щодня ми маємо можливість спостерігати світ навколо нас. Бачити, як квітнуть рослини навесні, вночі палають зорі, а вдень сяє Сонце. Спостерігати, як сусіди не можуть поділити яблуню, а дворова кішка знову привела кошенят. Це все ми можемо робити за допомогою механізму наших очей та світла, точніше, хвиль світла, яке випромінює наше потужне світило. Наше око дозволяє нам бачити хвилі довжиною від 380 (фіолетовий колір) до 750 (червоний колір) нм.
Тож, як ми можемо побачити своїми очима картинку вище, природа наділила нас можливістю спостерігати тільки обмежену кількість довжин хвиль, але все ж таки людство з’ясувало, що за межами наших можливостей ховаються інші діапазони та існує більш яскрава картина світу.
Тож сьогодні у цій статті ми розглянемо одну специфічну область зі всього спектра — інфрачервону — і з’ясуємо, яку саме невідому нам завісу вона відкриває.
Почнемо з самих джерел
Як не дивно, саме астрономія і жага до знань допомогла людству віднайти інфрачервону частину спектра. Все почалося з того, що у 1800 році британський астроном Вільям Гершель відкрив інфрачервоне випромінювання під час досліду з сонячним світлом. Він пропустив світло через призму, розщеплюючи його на кольори спектра, і вимірював температуру кожного кольору. Гершель вирішив перевірити, що відбувається за червоною частиною спектра, там, де вже не було видимого світла, і помітив, що за червоною частиною, де світло невидиме, температура була навіть вищою. Він зрозумів, що існує невидиме для ока випромінювання, яке переносить тепло. Це випромінювання він назвав інфрачервоним. Відкриття стало важливим кроком у розумінні невидимих частин спектра світла та заклало основу для інфрачервоної астрономії.
Відтоді наука пройшла величезний шлях нових відкриттів і спостережень, тож сьогодні інфрачервона астрономія є одним із найважливіших напрямів сучасної астрономії, що дозволяє вивчати об’єкти, які залишаються невидимими для звичайних оптичних телескопів. Вона відкриває доступ до багатьох космічних явищ, прихованих за хмарами міжзоряного пилу або максимум випромінювання яких лежить поза межами видимого спектра.
Повертаючись до інфрачервоного діапазону, його хвилі знаходяться в межах більших, ніж у видимого світла, але менших, ніж у мікрохвильового випромінювання. Інфрачервоні промені зазвичай діляться на три піддіапазони:
- Ближнє інфрачервоне випромінювання (0,75–5 мікрометрів), яке охоплює діапазон, близький до видимого світла.
- Середнє інфрачервоне випромінювання (5–15 мікрометрів), що дозволяє досліджувати теплове випромінювання від теплих об’єктів.
- Далеке інфрачервоне випромінювання (15–1000 мікрометрів), що використовується для дослідження холодних об’єктів і міжзоряного пилу.
І знову нас зустрічають труднощі…
Як ви могли вже здогадатись, інфрачервоні телескопи дозволяють бачити ті космічні об’єкти та явища, які залишаються невидимими в оптичному діапазоні через різні перешкоди.
Однією з таких базових перешкод в астрономії в цілому є міжзоряний пил, що поглинає і розсіює видиме світло. Хмари пилу часто оточують молоді зорі, протопланетні диски або області зореутворення, що робить їх невидимими для оптичних телескопів. Проте інфрачервоне випромінювання має більшу довжину хвилі та може проходити крізь ці пилові завіси, дозволяючи астрономам спостерігати приховані процеси.
Також багато об’єктів у Всесвіті, таких, як коричневі карлики, далекі планети, комети й астероїди, мають низьку температуру і випромінюють енергію переважно в інфрачервоному діапазоні. Коричневі карлики, наприклад, — це об’єкти, маса яких занадто мала, щоб запустити термоядерні реакції, які живлять звичайні зорі. Вони «теплі», але недостатньо яскраві у видимому світлі. Вивчення таких об’єктів в інфрачервоному діапазоні дає змогу отримати інформацію про їхні фізичні характеристики, хімічний склад і процеси, що відбуваються на їхніх поверхнях.
Хоча інфрачервоне випромінювання є тепловим (тобто його джерелом є тепло), не варто плутати довжину хвилі з температурою об’єкта. Об’єкти у Всесвіті випромінюють енергію в різних діапазонах залежно від своєї температури. Це пояснюється законом випромінювання Планка, згідно з яким усі об’єкти, незалежно від температури, випромінюють енергію. Різниця полягає в тому, у якому діапазоні випромінюється найбільше енергії. Гарячі об’єкти випромінюють її у видимому або ультрафіолетовому діапазоні, а холодні — в інфрачервоному.
Отже, чим нижча температура об’єкта, тим довші хвилі він випромінює. Інфрачервоне випромінювання має більшу довжину хвилі, ніж видиме світло, і саме тому його випромінюють об’єкти з низькою температурою. Гарячі об’єкти випромінюють короткі хвилі — наприклад, видиме або ультрафіолетове світло. Холодні об’єкти випромінюють довші хвилі — інфрачервоне випромінювання.
Тому навіть холодні тіла, такі як далекі планети, астероїди або коричневі карлики, які не світяться видимим світлом, продовжують випромінювати тепло в інфрачервоному діапазоні, й ми можемо їх виявити за допомогою інфрачервоних телескопів.
Один із найважливіших ефектів, що робить інфрачервону астрономію надзвичайно важливою для вивчення Всесвіту, — це явище червоного зсуву. Через розширення Всесвіту світло від дуже далеких об’єктів, таких як галактики чи квазари, зміщується у бік довших хвиль. Це означає, що випромінювання, яке спочатку могло бути у видимому або ультрафіолетовому діапазоні, через розширення космічного простору зміщується в інфрачервону область спектра.
Завдяки цьому інфрачервоні телескопи можуть спостерігати за об’єктами, які перебувають на колосальних відстанях, що дозволяє заглянути в ранні епохи існування Всесвіту — до мільярдів років тому. Це дає змогу астрономам вивчати найперші галактики, які виникли невдовзі після Великого вибуху, і розуміти, як розвивалася структура Всесвіту.
Інфрачервоні місії та пригоди
Успіх інфрачервоної астрономії безпосередньо залежить від розвитку потужних телескопів, здатних працювати у цьому діапазоні, оскільки більшість випромінювання поглинається атмосферою Землі. Саме тому багато інфрачервоних обсерваторій розташовані на великих висотах або виводяться в космос. Деякі з найважливіших місій із дослідження інфрачервоного спектра залишили помітний слід в історії астрономії.
Супутник Infrared Astronomical Satellite (IRAS), запущений у 1983 році, був першим апаратом, що здійснив повний огляд неба в інфрачервоному діапазоні. Він картував 96% неба чотири рази. Було виявлено близько 350 000 джерел на довжинах хвиль 12, 25, 60 та 100 мікрометрів, багато з яких все ще очікують на ідентифікацію. Близько 75 000 з них, як вважають, є галактиками, що все ще переживають стадію зореутворення. Багато інших джерел є звичайними зорями з дисками пилу навколо них, можливо, на ранній стадії формування планетної системи. Нові відкриття включали пиловий диск навколо Веги та перші зображення ядра Чумацького Шляху. Телескоп був спільним проєктом Сполучених Штатів (NASA), Нідерландів (NIVR) та Великої Британії (SERC).
Бортовий запас IRAS рідкого гелію був вичерпаний через 10 місяців — 21 листопада 1983 року. Це призвело до підвищення температури телескопа, що завадило подальшим спостереженням. Космічний апарат продовжує обертатися довкола Землі.
Успіх IRAS спричинив інтерес до місії запланованого комплексу інфрачервоного телескопа на борту «космічного човника», який був зрештою перетворений на комплекс інфрачервоного телескопа SIRTF, який, своєю чергою, згодом був перетворений на космічний телескоп Spitzer, запущений у 2003 році.
Spitzer Space Telescope (2003-2020) — це один із найуспішніших інфрачервоних телескопів у космосі. Запущений NASA у 2003-му, він працював майже 17 років замість планованих п’яти — як виявилось, після вичерпання запасу рідкого гелію на борту та охолодження телескопа до дуже низьких температур, необхідних для роботи, більшість інструментів більше не могли використовуватися. Однак два найбільш короткохвильові модулі камери IRAC продовжували працювати з тією ж чутливістю, що й до вичерпання гелію, і використовувалися до початку 2020 року в місії Spitzer Warm.
Spitzer став ключовим інструментом у вивченні екзопланет, особливо їхніх атмосфер. Завдяки інфрачервоному діапазону телескопу вдалося виявити в атмосферах деяких екзопланет молекули води, метану та вуглекислого газу — потенційні біомаркери. Це відкрило нові можливості для пошуку планет, придатних для життя. Одним із найвідоміших відкриттів Спітцера стало детальне вивчення планетарної системи TRAPPIST-1, де було знайдено сім планет, три з яких розташовані в зоні життя своєї зорі.
Телескоп також вивчав галактики та зорі, що існували в ранній епосі Всесвіту, за кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху. У 2005 році астрономи Олександр Кашлинський і Джон Мазер з Центру космічних польотів імені Годдарда NASA повідомили, що одне з ранніх зображень Spitzer, можливо, зняло світло перших зір у Всесвіті. Зображення квазара в сузір’ї Дракона, призначене тільки для калібрування телескопа, містило інфрачервоне світіння після того, як світло відомих об’єктів було видалено.
Загалом телескоп займався дослідженням процесів зореутворення, далеких галактик, пилових дисків навколо молодих світил. Spitzer зробив значний внесок у космічну науку, зібравши масу цінної інформації, яка продовжує використовуватися для подальших досліджень. Його місія допомогла закласти основу для нових інфрачервоних телескопів, таких як James Webb Space Telescope, який продовжить вивчення екзопланет, галактик та процесів у ранньому Всесвіті.
Інфрачервона астрономія є ключем до вивчення багатьох об’єктів і явищ, які неможливо побачити у видимому спектрі. Ще однією проблемою є тільки те, що самі телескопи випромінюють інфрачервоне світло через власне нагрівання, тому вони потребують ефективного охолодження для забезпечення точних вимірювань. Але від народження зір і планет до аналізу далеких галактик і екзопланет ця галузь розширює наше розуміння Всесвіту, й нові інструменти, такі як James Webb Space Telescope, дозволять ще глибше заглянути у космос і розкрити безліч його таємниць.
