Infrakrasnaya astronomiya
1. Vvedenie
2. Istochniki kosmicheskogo
infrakrasnogo izlucheniya
3. Priemniki infrakrasnogo izlucheniya
4.
Rezul'taty astronomicheskih nablyudenii v infrakrasnoi oblasti spektra
1. Vvedenie
Infrakrasnaya astronomiya - razdel astronomii, posvyashennyi issledovaniyam kosmich. tel po ih izlucheniyu v oblasti dlin voln ot 0,8 mkm (krasnaya granica vidimoi oblasti) do 1 mm (uslovnaya granica razdela s radiodiapazonom). V IK-oblast' spektra popadaet maksimum intensivnosti teplovogo izlucheniya otnositel'no holodnyh ob'ektov s temp-roi ot 2-3 tys. K do 3 K: zvezd pozdnih spektr. klassov i okruzhayushih ih pylevyh obolochek; zvezd na nachal'nyh stadiyah zvezdoobrazovaniya, pogruzhennyh v protozvezdnye gazovo-pylevye oblaka; mezhzvezdnyh pyli i gaza, a takzhe planet i malyh tel Solnechnoi sistemy. V dlinnovolnovom uchastke IK-oblasti, nazyvaemom submillimetrovym diapazonom, soderzhitsya osn. chast' energii reliktovogo izlucheniya, voznikshego na rannei stadii rasshireniya Vselennoi. Kak i v dr. spektr. diapazonah, v IK-oblasti nablyudayutsya neteplovye istochniki kosmich. izlucheniya (gde izluchayut gl. obr. relyativistskie elektrony).Hotya nek-rye nablyudeniya v blizhnei IK-oblasti provodilis' i ran'she (napr., angl. astronom U. Gershel' v nachale 19 v. issledoval IK-spektr Solnca pri pomoshi prizmy i termometra), I. a. sformirovalas' k koncu 60-h gg. 20 v., kogda Dzh. Neigebauer i R. Leiton (SShA, 1969 g.) vypolnili obzor severnogo neba na volne 2,2 mkm. Byl vyyavlen celyi klass ob'ektov, obladayushih v IK-diapazone "infrakrasnym izbytkom" - izlucheniem, namnogo bol'shim, chem ozhidalos' iz ekstrapolyacii vidimoi chasti zvezdnyh spektrov. Issledovaniya na volnah dlinnee 4 mkm stali vozmozhnymi nachinaya s 60-h gg. blagodarya primeneniyu ohlazhdaemogo geliem germanievogo bolometra, razrabotannogo F. Lou (SShA, 1961 g.).
2. Istochniki kosmicheskogo infrakrasnogo izlucheniya
Osn. mehanizm generacii galaktich. IK-izlucheniya - teplovoi, a glavnaya izluchayushaya substanciya
- mezhzvezdnaya ili okolozvezdnaya pyl'. Intensivnost' izlucheniya pylinki radiusom a
opisyvaetsya f-loi:
, (1)
gde - spektr. plotnost' izlucheniya ed, ploshadi poverhnosti pylinki
pri temp-re T, davaemaya f-loi Planka (sm. Planka
zakon izlucheniya),
- ploshad' izluchayushei poverhnosti pylinki,
- faktor effektivnosti, uchityvayushii difrakciyu izlucheniya
na
chasticah pyli i optich. sv-va veshestva pyli.
Polnoe izluchenie pyli, prointegrirovannoe po spektru, proporcional'no ne T4,
kak v sluchae chernogo tela, a ~ T5
[vsledstvie vliyaniya faktora v f-le (1)].
Nagrev pyli chashe vsego proizvoditsya UF- i optich. izlucheniem blizkih zvezd. Temp-ra,
opredelyaemaya
usloviem ravenstva nagreva i ohlazhdeniya, t.e. ur-niem teplovogo balansa, zavisit
ot sootnosheniya velichin pogloshennogo UF- i optich. izlucheniya i ispushennogo sobstvennogo
IK-izlucheniya.
Yasno, napr., chto uvelicheniyu pogloshatel'noi sposobnosti pyli (ravnoi, po zakonu Kirhgofa,
ee izluchatel'noi sposobnosti na toi zhe volne) v UF- i optich. diapazonah i (ili) umen'sheniyu
ee v IK-oblasti sootvetstvuet uvelichenie temp-ry pyli, i naoborot. Izluchatel'nye
processy preobladayut v okolozvezdnyh pylevyh obolochkah.
![]() |
Ris. 1. Spektr propuskaniya atmosfery v blizhnei i srednei infrakrasnoi oblasti (1,2-40 mkm) na urovne morya (nizhnyaya krivaya na grafikah) i na vysote 4000 m (verhnyaya krivaya); v submillimetrovom diapazone (300-500 mkm) izluchenie do poverhnosti Zemli ne dohodit. |
Vdali ot goryachih zvezd temp-ra pyli opredelyaetsya nagrevom ne ot otdel'nyh zvezd, a ot obshego polya izlucheniya zvezd Galaktiki. Holodnye i plotnye gazopylevye oblaka, v k-ryh eshe ne obrazovalis' zvezdy, nagrevayutsya vo vnesh. sloyah obshim polem UF- i optich. izlucheniya zvezd, a v central'nyh chastyah - bolee pronikayush rentg. izlucheniem i kosmicheskimi luchami, vzaimodeistvuyushimi s gazom i pyl'yu. Nagrev takih oblakov chastichno mozhet byt' obuslovlen vydeleniem gravitacionnoi energii pri ih szhatii, a ohlazhdenie pyli vo vnesh. sloyah proishodit ne tol'ko za schet ee dlinnovolnovogo (submillimetrovogo) IK-izlucheniya, no i za schet peredachi kinetich. energii molekulam gaza pri stolknoveniyah ih s chasticami pyli.
Pomimo izlucheniya pyli nablyudaet lineichatoe
izluchenie gaza, obuslovlennoe tonkoi strukturoi urovnei energiiatomov [CI na
volne
=157 mkm, OI (63 mkm), OIII (88 mkm), Nell (12,8 mkm i dr.] i
perehodami mezhdu vrashatel'no-kolebatel'nymi i chisto vrashatel'nymi urovnyami energii molekul (SO, NH3, ON, SiO,
N2 i dr.).
3. Priemniki infrakrasnogo izlucheniya
Spektr. oblast' IK-izlucheniya obychno podrazdelyayut na blizhnyuyu IK-oblast' (s
ot 0,8 do 5 mkm), srednyuyu, ili promezhutochnuyu (5-35 mkm), i dalekuyu (do
mm) IK-oblast'. Oblast' 0,1 mm
mm chasto naz.
submillimetrovoi (SMM). V sootvetstvii s "oknami prozrachnosti" atmosfery (ris. 1)
fotometriya
IK-izlucheniya ispol'zuet neskol'ko fotometrich. polos, granicy k-ryh privedeny v tabl.
1.
V tabl. 1 ne vklyucheny okna prozrachnosti s 34 mkm, 350
mkm, 460 mkm, a takzhe eshe bolee dlinnovolnovye, smenyayushiesya pri perehode k radiodiapazonu
prakticheski sploshnym propuskaniem.
Tabl. 1. Sistema IK-fotometrichskih polos
Fotometricheskaya polosa |
Granicy polosy, mkm![]() ![]() |
Effektivnaya dlina volny ![]() |
|
H | 1,45 | 1,8 | 1,63 |
K | 1,9 | 2,5 | 2,22 |
L | 3,05 | 4,1 | 3,6 |
M | 4,5 | 5,5 | 5,0 |
N | 7,9 | 13,2 | 10,6 |
Q | 17 | 28 | 21 |
V blizhnei i srednei IK-oblastyah chasto ispol'zuyutsya zvezdnye
velichiny, k-rye svyazany s potokami izlucheniya f-loi: .
Potoki S0,i, sootvetstvuyushie zvezdnoi velichine m0,i=
0,0, dany dlya raznyh fotometrich. polos v tabl. 2.
Nazemnye nablyudeniya provodyatsya v oknah prozrachnosti atmosfery kak s pomosh'yu obychnyh optich. teleskopov, tak i spec. IK-teleskopov. Specializirovannye teleskopy, obladayushie, kak pravilo, men'shim sobstv. izlucheniem i snabzhennye oscilliruyushim vtorichnym zerkalom, ustanavlivayutsya v vysokogornyh raionah dlya umen'sheniya poglosheniya i sobstv. fona atmosfery, a takzhe ego fluktuacii. Tak, na vershine potuhshego vulkana Mauna-Kea (Gavaiskie ostrova) na vysote 4200 m nad urovnem morya ustanovleno chetyre krupnyh spec. IK-teleskopa: franko-kanadskii s diametrom zerkala D= 375 sm, angliiskii (D= 360 sm) teleskop Nacional'nogo upravleniya po aeronavtike i osvoeniyu kosmich. prostranstva SShA - NASA (D= 300 sm i 224-sm teleskop Gavaiskogo universiteta.
Pri astronomich. nablyudeniyah v IK diapazone prihoditsya uchityvat' nalichie sobstvennogo izlucheniya atmosfery i teleskopa, chasto gorazdo bolee sil'nogo, chem registriruemoe izluchenie istochnika. Dlya vychitaniya fonovogo izlucheniya obychno primenyaetsya metod prostranstvennoi modulyacii, pri k-roi registriruemyi signal proporcionalen raznosti moshnostei izlucheniya v napravleniyah na nablyudaemyi istochnik i na sosednii uchastok neba. Ustroistvo tipichnogo astronomich. fotometra pokazano na ris. 2.
![]() |
Ris. 2. Ustroistvo infrakrasnogo fotometra: 1 - koleblyusheesya zerkalo (modulyator); 2 - fil'tr; 3 - kriostat s priemnikom izlucheniya (bolometrom); 4 - predusilitel' signala; 5 - zerkalo podsmotra, ispol'zuemoe dlya navedeniya fotometra na issleduemuyu zvezdu; 6 - elektronno-opticheskii preobrazovatel' (EOP) v ustroistve slezheniya; 7 - okulyar s perekrestiem nitei; 8 - sistema, pozvolyayushaya peremeshat' EOP po dvum koordinatam v ploskosti izobrazheniya. |
Dlya registracii poleznogo signala na fone shumov priemnika, fotonnogo shuma i fluktuacii emissii atmosfery primenyayutsya radiometrich. metody (ris. Z): sobrannoe teleskopom izluchenie posle modulyacii postupaet na IK-priemnik, detektiruetsya i preobrazuetsya v peremennoe napryazhenie na chastote modulyacii (skanirovaniya), k-roe posle usileniya i sinhronnoi demodulyacii registriruetsya libo v analogovom vide, udobnom dlya vizual'nogo kontrolya, libo v cifrovom, udobnom dlya posleduyushei obrabotki na EVM. Izmerenie potoka izlucheniya ot issleduemogo ob'ekta zaklyuchaetsya v registracii raznostei "istochnik-fon I" (peremennoe napryazhenie vida I na ris. 3) i "fon II-istochnik" (peremennoe napryazhenie vida II). Vychitanie pervoi raznosti iz vtoroi daet udvoennyi potok istochnika v instrumental'nyh edinicah (napr., v vol'tah). Esli sravnit' ego s zaregistrirovannym takim zhe obrazom izlucheniem t.n. standartnogo istochnika (zvezdy) s izvestnym potokom na toi zhe volne, to mozhno poluchit' velichinu abs. potoka ot izmeryaemogo istochnika. Znachenie potoka vne zemnoi atmosfery poluchayut posle ucheta poglosheniya v atmosfere, opredelyaemogo v processe nablyudenii po otnositel'no yarkim (napr., tem zhe standartnym) istochnikam.
Tabl. 2. Znachenie potokov i
,
sootvetstvuyushih m0,i= 0,0.
Fotometricheskaya polosa, (i) |
![]() |
![]() |
![]() |
K | 2,22 | ![]() | ![]() |
L | 3,6 | ![]() | ![]() |
M | 5,0 | ![]() | ![]() |
N | 10,6 | ![]() | ![]() |
Q | 21 | ![]() | ![]() |
Z | 34 | ![]() | ![]() |
Razmeshenie teleskopov na vysotnyh samoletah i aerostatah pozvolyaet prakticheski isklyuchit' vliyanie atmosfernogo poglosheniya i provodit' astronomich. nablyudeniya prakticheski po vsei IK-oblasti spektra, za isklyucheniem uchastkov, blizkih k naibolee sil'nym liniyam poglosheniya zemnoi atmosfery. Sushestvennoe uvelichenie chuvstvitel'nosti nablyudenii v IK-diapazone mozhet byt' dostignuto za schet snizheniya urovnya fona i fotonnogo shuma pri ustanovke teleskopov na ISZ i kriogennom ohlazhdenii zerkal. Pervyi takoi specializirovannyi sputnik-observatoriya "IRAS" (IK-astronomich. sputnik, Niderlandy-SShA-Angliya) rabotal na orbite v 1983 g., provel polnyi obzor nebesnoi sfery v diapazone dlin voln ot 8 do 120 mkm i obnaruzhil ok. 250 tys istochnikov IK-izlucheniya.
![]() |
Ris. 3. Principial'naya shema ustanovki dlya registracii infrakrasnogo izlucheniya kosmicheskih istochnikov: a - blok-shema sistemy registracii infrakrasnyh istochnikov (1 -teleskop, 2 - kriostat s priemnikom izlucheniya i so spektral'nymi fil'trami, 3 - usilitel' peremennogo napryazheniya, 4 - sistema modulyacii signala, 5 - sinhronnyi detektor, 6 - usilitel' postoyannogo toka, 7 -registraciya signala dlya vizual'nogo kontrolya v processe nablyudenii, 8 - cifrovaya registraciya dlya posleduyushei obrabotki); b -vid signala do detektirovaniya pri navedeniyah teleskopa na ob'ekt i fonovuyu oblast' i vid sootvetstvuyushego vyhodnogo signala fotometra. |
Registraciya korotkovolnovogo IK-izlucheniya s dlinoi volny men'she 1,2 mkm proizvoditsya
s pomosh'yu spec. fotoemul'sii i fotoumnozhitelei. Do dlin voln 5,5 mkm ochen' effektiven
fotovol'taicheskii priemnik iz InSb, ohlazhdaemyi zhidkim azotom do 78 K (ris. 4). V
oblasti bolee dlinnyh voln ispol'zuyutsya pochti isklyuchitel'no teplovye priemniki (chashe
vsego
germanievye ili sostavnye bolometry ohlazhdaemye zhidkim 4Ne
do temp-py ok. 1,5 K, inogda nizhe - otkachkoi parov zhidkogo 3Ne).
Nashli primenenie ohlazhdaemye fotorezistory, osobennno effektivnye v usloviyah nizkogo
fonovogo izlucheniya. Obychno trebuetsya ohlazhdat' ne tol'ko priemniki, no takzhe spektr.
fil'try
i diafragmy, ogranichivaya potok padayushego na detektor vnesh. fonovogo izlucheniya. Porog
chuvstvitel'nosti priemnikov IK-izlucheniya prinyato harakterizovat' ekvivalentnoi moshnost'yu
shuma (EMSh), t.e moshnost'yu padayushego na priemnik izlucheniya, k-roe vyzovet poyavlenie
napryazheniya (ili toka) so srednekvadratichnym znacheniem, ravnym sredne kvadratichnoi
velichine
shuma. Dlya ideal'nogo priemnika, ne imeyushego sobstvennyh istochnikov shuma i shum k-rogo
obuslovlen fluktuaciyami potoka fotonov, EMSh ravna (v Vt/Gc1/2):
EMSh= , (2)
gde Tf i - temp-ra i sr.
znachenie moshnosti padayushego na priemnik fonovogo izlucheniya, A - koeff., ravnyi
1 dlya
bolometrov i fotovol'taicheskih priemnikov i 2 dlya fotorezistorov,
<1
- kvantovaya effektivnost' priemnika. Sravnenie EMSh priemnikov raznyh tipov dano na
ris.
4. O sobstvennyh teplovyh shumah bolometrov, chashe vsego ispol'zuemyh v astronomii,
sm. v st. Bolometr. K shumam priemnika i kvantovym
fluktuaciyam
fona, opisyvaemym f-loi (2), v real'nyh priborah dobavlyayutsya shumy usilitelya, k k-romu
podklyuchen priemnik izlucheniya. U fotosoprotivlenii v sostave ohlazhdaemyh teleskopov
EMSh
mozhet dostigat' 10-17 Vt/Gc2.
![]() |
Ris. 4. Ekvivalentnaya moshnost' shuma (EMSh) priemnikov infrakrasnogo izlucheniya v zavisimosti ot dliny volny ![]() Krivaya 1 - fotonnyi shum fona dlya nazemnyh fotometrov; 2 - EMSh dlya bolee uzkopolosnyh (i sootvetstvenno podverzhennyh men'shemu shumu fona) spektroskopicheskih sistem s nizkim spektral'nym razresheniem ( ![]() 3 - EMSh dlya bolometrov, ohlazhdaemyh sverhtekuchim 4Ne (s otkachkoi parov) do 1,5 K; 4 i 5 - EMSh dlya fotovol'taicheskih priemnikov iz sur'myanistogo indiya (InSb) s vnutrennim soprotivleniem 1010 i 1012 Om sootvetstvenno. |
Dlya polucheniya spektr. razresheniya v I. a. ispol'zuyutsya spektrofotometrich. smennye
fil'try nizkogo razresheniya, a takzhe klinovye interferenc. fil'try (blizhnyaya IK-oblast'),
difrakc.
spektrometry (blizhnyaya i srednyaya IK-oblast'), interferometry Fabri-Pero (dalekaya IK-oblast')
i osobenno shiroko - metod Fur'e-spektrometrii. On osnovan na primenenii interferometra
Maikel'sona (sm. Interferometriya) i pozvolyaet
provodit' nablyudeniya s ochen' vysokim spektr. razresheniem (do ). Nakonec, eshe bol'shee razreshenie (
)
dostigaetsya pri primenenii geterodinnyh spektrometrov s lazernoi nakachkoi. Interferometry
Maikel'sona i geterodinnye interferometry ispol'zuyutsya takzhe i dlya polucheniya uglovogo
razresheniya, dostigayushego 0,1".
4. Rezul'taty astronomicheskih nablyudenii v infrakrasnoi oblasti spektra
Nablyudeniya v IK-diapazone okazalis' isklyuchitel'no moshnym metodom izlucheniya planet i ih sputnikov, asteroidov i komet. V IK-oblasti spektra sosredotochena bol'shaya chast' energii sobstvennogo teplovogo izlucheniya tverdyh poverhnostei i atmosfer planet. Spektrometriya, nablyudeniya IK-izlucheniya planet pozvolyayut opredelit' teplovuyu strukturu atmosfer i ih him. sostav. Sredi mnogochisl. rezul'tatov k naibolee vpechatlyayushim mozhno otnesti obnaruzhenie vnutr. energovydeleniya Yupitera i Saturna, sravnimogo po velichine s energiei padayushego na ih poverhnosti solnechnogo izlucheniya, nablyudeniya kolec Urana i Yupitera na dline voln 2,2 mkm, obnaruzhenie vodyanogo l'da na poverhnosti sputnikov planet-gigantov i metanovogo l'da na poverhnosti Plutona, opredelenie struktury atmosfer planet-gigantov, otkrytie fluktuacii spektra IK-izlucheniya komet i ih svyazi s dinamikoi kometnyh hvostov.
Mnogochisl. rezul'taty byli polucheny takzhe pri nablyudeniyah IK-izlucheniya zvezd. Issledovaniya molekulyarnyh spektrov holodnyh zvezd v blizhnem IK-diapazone pozvolili poluchit' bogatuyu informaciyu o him. sostave zvezdnyh atmosfer, osobenno ob izotopnom sostave krasnyh gigantov. Nablyudeniya nepreryvnyh spektrov zvezd pokazali, chto u mnogih iz nih spektr sostoit iz dvuh komponentov: spektra fotosfery zvezdy v korotkovolnovom uchastke IK-diapazona i spektra izbytochnogo izlucheniya okolozvezdnoi pyli v bolee dlinnovolnovoi oblasti. Sootnoshenie energii oboih komponentov mozhet menyat'sya v shirokih predelah: moshnost' izbytochnogo IK-izlucheniya molodyh zvezd rannih spektr. klassov sostavlyaet doli procenta ot polnoi svetimosti zvezdy, a u zvezd s razvitymi pylevymi obolochkami izluchenie fotosfery zvezdy mozhet prakticheski polnost'yu pogloshat'sya i pereizluchat'sya v okolozvezdnoi pylevoi obolochke. Tak formiruetsya nablyudaemoe IK-izluchenie vblizi molodyh goryachih zvezd, planetarnyh tumannostei, zon NII, rasshiryayushihsya obolochek novyh zvezd, protyazhennyh gazovo-pylevyh obolochek zvezd pozdnih spektr. klassov i aktivnyh yader galaktik. Pylevaya priroda emissii byla okonchatel'no ustanovlena posle obnaruzheniya v spektrah ryada ob'ektov (diffuznyh tumannostei, molekulyarnyh oblakov, okolozvezdnyh obolochek) osobennostei ("detalei") na volnah 3,1 mkm, 9,7 mkm i ok. 20 mkm, obuslovlennyh prisutstviem chastic l'da (N2O, NN3), silikatnyh i uglerodnyh chastic.
IK-issledovaniya pokazyvayut, chto zvezdy, v t.ch. i novye zvezdy, vo vremya vspyshek obrazuyut bol'shoe kolichestvo pyli (v chastnosti, silikatnogo sostava).
Nablyudeniya v IK-diapazone pozvolyayut issledovat' raiony Galaktiki, skrytye ot optich.
nablyudenii mezhzvezdnoi pyl'yu, poskol'ku mezhzvezdnoe
pogloshenie sveta pyl'yu bystro umen'shaetsya s uvelicheniem dliny volny (priblizitel'no
kak 1/). Tak, pogloshenie izlucheniya yadra Galaktiki v vidimom diapazone
(svetovoi potok oslabevaet v 1012
raz!); na dline volny 2,2 mkm pogloshenie umen'shaetsya do nesk. zvezdnyh velichin, chto
uzhe
pozvolyaet provodit' detal'nye issledovaniya struktury galaktich. yadra. V yadre Galaktiki
obnaruzheno plotnoe zvezdnoe skoplenie s massoi
,
analogichnoe skopleniyu, nablyudaemomu v optich. diapazone v yadre M31 (Tumannost' Andromedy).
![]() |
Ris. 5. Spektry infrakrasnogo izlucheniya aktivnyh galaktik (proizvol'no sdvinuty po vertikal'noi osi). Maksimum izlucheniya oblasti okolo 100 mkm obuslovlen izlucheniem pyli. Dlya etih galaktik harakterno aktivnoe zvezdoobrazovanie v ih yadrah. |
Osobenno vazhnym dostizheniem IK-astronomii, imeyushim kosmogonich. znachenie, yavilos' obnaruzhenie v plotnyh i neprozrachnyh v vidimoi oblasti gazovo-pylevyh oblakah kompaktnyh yarkih istochnikov IK-izlucheniya. Ih otlichitel'nym sv-vom okazalos' otsutstvie teplovogo radioizlucheniya, harakternogo dlya obychnyh (ne stol' molodyh) oblastei NII. Takie ob'ekty prinyato schitat' protozvezdami, eshe ne dostigshimi glavnoi posledovatel'nosti na