Каждый день мы имеем возможность наблюдать мир вокруг нас. Видеть, как цветут растения весной, ночью горят звезды, а днем светит Солнце. Наблюдать, как соседи не могут поделить яблоню, а дворовая кошка снова привела котят. Это все мы можем делать с помощью механизма наших глаз и света, точнее, волн света, который излучает наше мощное светило. Наш глаз позволяет нам видеть волны длиной от 380 (фиолетовый цвет) до 750 (красный цвет) нм.
Так что, как мы можем увидеть своими глазами картинку выше, природа наделила нас возможностью наблюдать только ограниченное количество длин волн, но все же человечество выяснило, что за пределами наших возможностей скрываются другие диапазоны и существует более яркая картина мира.
Поэтому сегодня в данной статье мы рассмотрим одну специфическую область из всего спектра — инфракрасную — и выясним, какую именно неизвестную нам завесу она открывает.
Начнем с истоков
Как ни странно, именно астрономия и жажда знаний помогла человечеству найти инфракрасную часть спектра. Все началось с того, что в 1800 году британский астроном Уильям Гершель открыл инфракрасное излучение во время опыта с солнечным светом. Он пропустил свет через призму, расщепляя его на цвета спектра, и измерял температуру каждого цвета. Гершель решил проверить, что происходит за красной частью спектра, там, где уже не было видимого света, и заметил, что за красной частью, где свет невидим, температура была даже выше. Он понял, что существует невидимое для глаза излучение, которое переносит тепло. Это излучение он назвал инфракрасным. Открытие стало важным шагом в понимании невидимых частей спектра света и заложило основу для инфракрасной астрономии.
С тех пор наука прошла огромный путь новых открытий и наблюдений, поэтому сегодня инфракрасная астрономия является одним из важнейших направлений современной астрономии, что позволяет изучать объекты, которые остаются невидимыми для обычных оптических телескопов. Она открывает доступ ко многим космическим явлениям, скрытым за облаками межзвездной пыли или максимум излучения которых лежит за пределами видимого спектра.
Возвращаясь к инфракрасному диапазону, его волны находятся в пределах больших, чем у видимого света, но меньших, чем у микроволнового излучения. Инфракрасные лучи обычно делятся на три поддиапазона:
Ближнее инфракрасное излучение (0,75-5 микрометров), которое охватывает диапазон, близкий к видимому свету.
Среднее инфракрасное излучение (5-15 микрометров), позволяющее исследовать тепловое излучение от теплых объектов.
Дальнее инфракрасное излучение (15-1000 микрометров), используемое для исследования холодных объектов и межзвездной пыли.
И снова нас встречают трудности…
Как вы могли уже догадаться, инфракрасные телескопы позволяют видеть те космические объекты и явления, которые остаются невидимыми в оптическом диапазоне из-за различных препятствий.
Одним из таких базовых препятствий в астрономии в целом является межзвездная пыль, поглощающая и рассеивающая видимый свет. Облака пыли часто окружают молодые звезды, протопланетные диски или области звездообразования, что делает их невидимыми для оптических телескопов. Однако инфракрасное излучение имеет большую длину волны и может проходить сквозь эти пылевые завесы, позволяя астрономам наблюдать скрытые процессы.
Также многие объекты во Вселенной, такие как коричневые карлики, далекие планеты, кометы и астероиды, имеют низкую температуру и излучают энергию преимущественно в инфракрасном диапазоне. Коричневые карлики, например, — это объекты, масса которых слишком мала, чтобы запустить термоядерные реакции, питающие обычные звезды. Они «теплые», но недостаточно яркие в видимом свете. Изучение таких объектов в инфракрасном диапазоне позволяет получить информацию об их физических характеристиках, химическом составе и процессах, происходящих на их поверхностях.
Хотя инфракрасное излучение является тепловым (то есть его источником является тепло), не стоит путать длину волны с температурой объекта. Объекты во Вселенной излучают энергию в разных диапазонах в зависимости от своей температуры. Это объясняется законом излучения Планка, согласно которому все объекты, независимо от температуры, излучают энергию. Разница заключается в том, в каком диапазоне излучается больше всего энергии. Горячие объекты излучают ее в видимом или ультрафиолетовом диапазоне, а холодные – в инфракрасном.
Таким образом, чем ниже температура объекта, тем более длинные волны он излучает. Инфракрасное излучение имеет большую длину волны, чем видимый свет, и именно поэтому его излучают объекты с низкой температурой. Горячие объекты излучают короткие волны – например, видимый или ультрафиолетовый свет. Холодные объекты излучают более длинные волны – инфракрасное излучение.
Поэтому даже холодные тела, такие как далекие планеты, астероиды или коричневые карлики, которые не светятся видимым светом, продолжают излучать тепло в инфракрасном диапазоне, и мы можем их обнаружить с помощью инфракрасных телескопов.
Один из важнейших эффектов, который делает инфракрасную астрономию чрезвычайно важной для изучения Вселенной, — это явление красного смещения. Из-за расширения Вселенной свет от очень далеких объектов, таких как галактики или квазары, смещается в сторону более длинных волн. Это означает, что излучение, которое изначально могло быть в видимом или ультрафиолетовом диапазоне, из-за расширения космического пространства смещается в инфракрасную область спектра.
Благодаря этому инфракрасные телескопы могут наблюдать за объектами, которые находятся на колоссальных расстояниях, что позволяет заглянуть в ранние эпохи существования Вселенной — до миллиардов лет назад. Это позволяет астрономам изучать самые первые галактики, которые возникли вскоре после Большого взрыва, и понимать, как развивалась структура Вселенной.
Инфракрасные миссии и приключения
Успех инфракрасной астрономии напрямую зависит от развития мощных телескопов, способных работать в этом диапазоне, поскольку большинство излучения поглощается атмосферой Земли. Именно поэтому многие инфракрасные обсерватории расположены на больших высотах или выводятся в космос. Некоторые из важнейших миссий по исследованию инфракрасного спектра оставили заметный след в истории астрономии.
Спутник Infrared Astronomical Satellite (IRAS), запущенный в 1983 году, был первым аппаратом, осуществившим полный обзор неба в инфракрасном диапазоне. Он картировал 96% неба четыре раза. Было обнаружено около 350 000 источников на длинах волн 12, 25, 60 и 100 микрометров, многие из которых все еще ожидают идентификации. Около 75 000 из них, как полагают, являются галактиками, все еще переживающими стадию звездообразования. Многие другие источники являются обычными звездами с дисками пыли вокруг них, возможно, на ранней стадии формирования планетной системы. Новые открытия включали пылевой диск вокруг Веги и первые изображения ядра Млечного Пути. Телескоп был совместным проектом Соединенных Штатов (NASA), Нидерландов (NIVR) и Великобритании (SERC).
Бортовой запас IRAS жидкого гелия был исчерпан через 10 месяцев — 21 ноября 1983 года. Это привело к повышению температуры телескопа, что помешало дальнейшим наблюдениям. Космический аппарат продолжает вращаться вокруг Земли.
Успех IRAS привел к интересу к миссии запланированного комплекса инфракрасного телескопа на борту «космического челнока», который был в конечном итоге преобразован в комплекс инфракрасного телескопа SIRTF, который, в свою очередь, впоследствии был преобразован в космический телескоп Spitzer, запущенный в 2003 году.
Spitzer Space Telescope (2003-2020) — это один из самых успешных инфракрасных телескопов в космосе. Запущенный NASA в 2003-м, он работал почти 17 лет вместо планируемых пяти — как оказалось, после исчерпания запаса жидкого гелия на борту и охлаждения телескопа до очень низких температур, необходимых для работы, большинство инструментов больше не могли использоваться. Однако два наиболее коротковолновых модуля камеры IRAC продолжали работать с той же чувствительностью, что и до исчерпания гелия, и использовались до начала 2020 года в миссии Spitzer Warm.
Spitzer стал ключевым инструментом в изучении экзопланет, особенно их атмосфер. Благодаря инфракрасному диапазону телескопу удалось обнаружить в атмосферах некоторых экзопланет молекулы воды, метана и углекислого газа — потенциальные биомаркеры. Это открыло новые возможности для поиска планет, пригодных для жизни. Одним из самых известных открытий Спитцера стало детальное изучение планетарной системы TRAPPIST-1, где было найдено семь планет, три из которых находятся в зоне жизни своей звезды.
Телескоп также изучал галактики и звезды, существовавшие в ранней эпохе Вселенной, через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. В 2005 году астрономы Александр Кашлинский и Джон Мазер из Центра космических полетов имени Годдарда NASA сообщили, что одно из ранних изображений Spitzer, возможно, засняло свет первых звезд во Вселенной. Изображение квазара в созвездии Дракона, предназначенное только для калибровки телескопа, содержало инфракрасное свечение после того, как свет известных объектов был удален.
В целом телескоп занимался исследованием процессов звездообразования, далеких галактик, пылевых дисков вокруг молодых светил. Spitzer сделал значительный вклад в космическую науку, собрав массу ценной информации, которая продолжает использоваться для дальнейших исследований. Его миссия помогла заложить основу для новых инфракрасных телескопов, таких как James Webb Space Telescope, который продолжит изучение экзопланет, галактик и процессов в ранней Вселенной.
Инфракрасная астрономия является ключом к изучению многих объектов и явлений, которые невозможно увидеть в видимом спектре. Еще одной проблемой является только то, что сами телескопы излучают инфракрасный свет из-за собственного нагрева, поэтому они нуждаются в эффективном охлаждении для обеспечения точных измерений. Но от рождения звезд и планет до анализа далеких галактик и экзопланет эта отрасль расширяет наше понимание Вселенной, и новые инструменты, такие как James Webb Space Telescope, позволят еще глубже заглянуть в космос и раскрыть множество его тайн.
