Инфракрасные лучи

Оглавление статей
Инфракрасные лучи
Страница 2

Страница 1 из 2

 

Инфракрасные лучи — рождение и развитие

На земле и в воздухе (предыстория)

Предпосылки  к  открытию  «эры невидимого» в астрономии возникли после эксперимента, который проделал в 1800 г. Уильям Гершель (Wifliam Herschel). В то время было известно, что при освещении тела нагреваются, но считалось, что интенсивность нагрева зависит только от силы света и никак не связана с его спектральными характеристиками. Гершель решил проверить, так ли это, и произвел эксперимент, который до сих пор показывают в школах всего мира: чувствительный термометр перемещается по всем участкам солнечного спектра. Эксперимент дал поразительный результат. Оказалось, что температура не только непрерывно повышалась от фиолетовой области к красной, но ее максимум достигался при переходе за красный диапазон, где глаз вообще ничего не замечал. Гершель понял, что обнаружил невидимые лучи, и вскоре установил, что они отражаются и преломляются подобно видимому свету. Он назвал это излучение калорифическим, то есть тепловым; позднее его переименовали в инфракрасное («infra» на латыни означает «ниже»). Оно занимает обширный участок электромагнитного спектра между радиоволнами (длиннее 1 мм или же 1000 мкм) и красным светом, ограниченным длиной волны 0,78 мкм. Впрочем, земная атмосфера для большей части инфракрасных лучей непрозрачна — она пропускает лишь излучение в диапазоне от 0,78 до 5 мкм. Основные атмосферные поглотители инфракрасного излучения — водяной пар и углекислый газ.

Основателем инфракрасной астрономии принято считать шотландского астронома Чарльза Пьяцци-Смита (Charles Piazzi-Smith), который в 1856 г. с помощью термопары зарегистрировал тепловое излучение Луны. Он также впервые заметил, что земная атмосфера не пропускает некоторые частоты ИК-диапазона. В 1878 г. американский астроном и физик Сэмюэл Лэнгли (Samuel Pierpont Langley) изобрел болометр — термоэлектрический датчик, который «ощущал» перепады температур порядка стотысячной доли градуса и поэтому быстро нашел применение в науке о небесных явлениях. С его помощью астрономы измерили тепловое излучение Солнца, Юпитера и Сатурна, а затем и самых ярких звезд северного полушария небесной сферы — Беги и Арктура.

В 1915 г. сотрудник американского Национального бюро стандартов Уильям Коблентц (William Koblentz) настолько повысил чувствительность термоэлектрических детекторов, что смог обнаружить ИК-излучение более чем у сотни звезд нашей Галактики. Позднее этот ученый заложил основы ИК-спектроскопии, которая со временем превратилась в мощнейшее «орудие» астрономии. А в 1920-е годы американские астрономы, прежде всего Сет Николсон и Эдисон Петтит (Seth Barnes Nicholson, Edison Pettit), приступили к первому систематическому инфракрасному мониторингу ночного неба.

В 1961 г. Фрэнк Лоу (Frank Low) в США изобрел глубокоохлаждаемый полупроводниковый болометр, благодаря чему появилась возможность для проведения наблюдений в диапазонах, соответствующих узким «окнам прозрачности» атмосферы.

Для этого телескопы размещались высоко в горах или на борту самолета, на аэростатах и высотных ракетах. Это позволило существенно уменьшить влияние атмосферного поглощения, поскольку с каждым километром высоты концентрация водяного пара в воздухе убывает примерно вдвое. В результате ИК-телескопы появились на самых высокогорных обсерваториях: в США — на потухшем вулкане Мауна Кеа, расположенном на крупнейшем острове Гавайского архипелага (высота 4200 м), в бывшем СССР — на наблюдательной станции Шорбулак в Таджикистане (высота 4350 м).

Во второй половине 1960-х гг. Роберт Лейтон и Джерри Нойгебауэр (Robert Leighton, Gerry Neugebauer) провели первый детальный обзор большей части северного небосвода в ближнем ИК-диапазоне и выявили более 20 тыс. источников инфракрасного излучения. В 1967-1975 гг. американские астрономы в рамках проекта Hi Star обследовали космос в средней ИК-области с помощью телескопов, размещенных на высотных ракетах.

В конце 1974 г. приступила к работе летающая обсерватория «Койпер» (Kuiper Airborne Observatory) — 36-дюймовый рефлектор, размещенный на борту переоборудованного военно-транспортного самолета С-141А. Участники этого проекта совершили немало открытий — в частности, они обнаружили кольца Урана и водяной пар в атмосферах Юпитера и Сатурна, подтвердили наличие газовой оболочки у карликовой планеты Плутон, а также получили информацию о синтезе тяжелых ядер во время взрыва Сверхновой 1987А.2 Свой последний полет обсерватория выполнила в 1995 г.

18 августа 2004 г. увидела «первый свет» воздушная обсерватория SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) — 2,7-метровый рефлектор со светосилой первичного зеркала 1/1,3, установленный на борту модифицированного самолета Boeing 747SR. Этот проект столкнулся со значительными техническими трудностями (от земли уникальный инструмент оторвался лишь 26 апреля 2007 г.), однако специалисты надеются, что к концу нынешнего года он начнет приносить научные результаты.

 

За пределами атмосферы

Окончательно устранить влияние атмосферы удалось, лишь отправив телескопы в космос. Это, кстати, позволило достичь невиданного ранее дополнительного роста чувствительности приемников. Дело в том, что в вакууме их можно охладить до сверхнизких температур, при которых собственный шум чувствительных элементов в ИК-диапазоне становится меньше «фотонного шума», неизбежно присутствующего в принимаемом сигнале и вызванного неравномерностью потока квантов излучения от объекта. Кроме того, понижая температуру, можно снизить порог чувствительности телескопа значительно сильнее, чем увеличивая диаметр его объектива.

25 января 1983 г. первым на солнечно-синхронную околоземную орбиту был выведен американо-голландско-британский инфракрасный телескоп IRAS (Infrared Astronomical Satellite). Диаметр его главного зеркала, изготовленного из бериллия, составлял 60 см, апертура (входное отверстие) была равна 57 см. Благодаря применению широкоугольной схемы Ричи-Кретьена поле зрения телескопа достигало 1°. В фокальной плоскости разместились 62 ИК-детектора из легированного кремния и германия и восемь оптических фотоприемников для регистрации звезд. Каждая из спектральных полос, в которых должен был наблюдать IRAS, «вырезалась» многослойными интерференционными фильтрами. Чтобы уменьшить влияние фонового излучения, инструмент охлаждался жидким гелием с температурой 2,4 К (-270,75°С). IRAS проработал всего 10 месяцев — столько, сколько позволял запас хладагента. Но за это время он успел провести обзор 96% небесной сферы на волнах 12, 25, 60 и 100 мкм. Главными задачами телескопа были поиски источников длинноволнового ИК-излучения и составление карт неба в инфракрасном диапазоне. На это отводилось 60% наблюдательного времени. Итогом десятимесячной работы стал каталог, содержащий почти 250 тыс. инфракрасных источников и карты теплового фона с угловым разрешением до 1,5′. Самые яркие составляющие фона, как оказалось, принадлежат межпланетной и межзвездной пыли, концентрирующейся к эклиптике и главной плоскости Млечного пути — об их существовании было известно и раньше благодаря наблюдениям «урывками» с высотных ракет. IRAS помог ученым построить модели распределения пыли в Солнечной системе — в общем совпадающие с традиционными картами — по ее собственному и по рассеянному ею солнечному излучению (создающему эффект «зодиакального света»). Точно так же было изучено и распределение высокоширотной галактической пыли — по переизлучению общего света звезд. С помощью IRAS был обнаружен пылевой диск вокруг Беги. Этот спутник также открыл три астероида (3200 Фаэтон, 3728 IRAS и (10714) 1983 QG) и три кометы (126P/IRAS, 161P/Hartley-IRAS и С/1983 Н1 IRAS-Araki-Alcock, пролетевшую в мае 1983 г. всего в 4,6 млн. км от Земли). Но если IRAS, обладавший низким угловым разрешением, играл роль «наводчика» для крупных наземных телескопов, то последующие космические проекты уже объединяли высокую чувствительность и разрешающую способность.

Единственная попытка использования ИК-телескопа в пилотируемом полете на шаттле Challenger в рамках миссии STS-51-F (Spacelab 2) оказалась неудачной. После этого полета стало ясно, что тепловые «помехи» от близкой Земли и от самого шаттла слишком велики, чтобы вести полноценные наблюдения.

Предыдущая — След. »

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: