Инфракрасная астрономия. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Инфракрасная астрономия - область наблюдательной астрофизики, объединяющая методы и результаты исследований излучения астр, объектов в ИК-диапазоне (0,7 мкм - 1 мм). Иногда как часть И. а. выделяют субмиллиметровую астрономию (0,1 - 1 мм). Первым шагом в истории И. а. было открытие ИК-излучения Солнца [У. Гершель (W. Неrschel), 1800]. Методы И. а. Земная атмосфера прозрачна только в отд. участках (полосах) ИК-области спектра (табл.). Поглощение обусловлено в основном водяным паром. Его концентрация быстро убывает с высотой и на высоте ~12 км прибл. в 10³ раз меньше, чем на уровне моря. Поэтому большие возможности для И. а. открываются при установке аппаратуры на аэростатах и высотных самолётах. Наилучшие результаты даёт вывод ИК-телескопа в космос. При этом оказывается возможным полностью охладить всю его оптику и резко снизить инструментальный фон теплового излучения, к-рый также существенно ограничивает возможности наземных измерений. Первый космич. ИК-телескоп был установлен на спутнике "ИРАС" (Infra red Astronomical Sattelite; Нидерланды, США и Великобритания, 1983). Он проработал ок. года, время жизни ограничивалось запасом жидкого гелия на борту. Потоки ИК-излучения звёзд в окнах прозрачности земной атмосферы

(1) I, J и т. д. -обозначения полос, широко применяемых в ИК-астроно.мии для фотометрических исследований звёзд и галактик при помощи фильтров (см. Астрофотометрия; )они соответствуют окнам прозрачности земной атмосферы; l_e- эффективная длина волны, Dl -ширина полосы по уровню 0,5. (2) Время накопления сигналов 1 мин, среднеквадратичная ошибка 0,05^m. Оценки (кроме I) даны по результатам измерений с JHKLM-фотометром и NQ-фотометром Южной станции ГАИШ. В N и Q возможно улучшение на 2-3^m при дальнейшей оптимизации конструкции фотометра (уменьшение инструментального фона). Для сравнения укажем, что в визуальной области спектра (полоса V, l_e=0,55 мкм) предельная звёздная величина ~15^m при тех же условиях. Для детального исследования в окнах прозрачности земной атмосферы отд. источников с известными координатами широко применяются наземные телескопы с ИК регистрирующей аппаратурой. На рис. 1 приведена упрощённая схема измерений, применяемая в И. а. для фотометрии источников с малыми угл. размерами (звёзд, галактик, астероидов и др.), а в табл. даны предельные звёздные величины. Зеркало З₂ (рис. 1) совершает периодич. колебания (частота ~20 Гц), в результате к-рых в плоскости приёмной площадки образуются два изображения звезды (А и Б), разнесённые на расстояние несколько большее, чем размеры приёмной площадки. При измерениях смещением всего телескопа на малый угол (~10'') приёмная площадка совмещается попеременно (с периодом t₀, обычно неск. десятков секунд) с изображениями А и Б, в результате чего зависимость сигнала от времени на выходе СД имеет вид кривой, показанной на рис. 1 справа внизу. При такой схеме измерений излучение звезды выделяется на фоне

Рис. 1. Упрощённая схема телескопа с инфракрасным фотометром для исследования источников, имеющих малые угловые размеры: З₁ - главное зеркало; З₂ - вторичное зеркало; З₃ - плоское "диагональное" зеркало; З₄ - плоское зеркало для визуального наблюдения поля вокруг наблюдаемого объекта и контроля ведения телескопа по соседним звёздам; З₅ - плоское убирающееся зеркало с окуляром О₂ для точного наведения; Кр - криостат с оптическим входом; Ф - холодный фильтр; Д - система холодных диафрагм, выделяющая узкий угол (такой, что приёмник "видит" только вторичное зеркало); П - приёмник излучения; У - усилитель; СД - синхронный детектор; И - интегратор; Р - регистрирующее устройство.

потока теплового излучения прибора с наименьшими потерями. В качестве приёмников в И. а. наиб, эффективно используются фотодиоды InSb в фотовольтаич. режиме (охлаждение твёрдым азотом до 60 К) и полупроводниковые болометры на основе германия, легированного галлием (~2 К - жидкий гелий с откачкой). Для изучения спектров с разрешающей силой l/Dlа100 в И. а. с успехом применяется Фурье спектроскопия. Она оказалась совершенно незаменимой при измерении спектров теплового излучения планет и Земли с борта космич. аппаратов. Примеры спектров, полученных с помощью Фурье спектрометра, приведены на рис. 2. Дана идентификация полос поглощения, принадлежащих атм. газам, а также веществу частиц облаков (H₂SO₄ - в случае Венеры). Регистрировалось излучение разд. областей планеты (характерный размер - неск. десятков км). По этим спектрам определялись вертикальный температурный профиль, содержание малых составляющих, вертикальное распределение аэрозоля в атмосферах. Результаты И. а. В 20-х гг. 20 в. были проведены первые измерения теплового излучения Луны и планет (в диапазоне 8-13 мкм), определены температуры поверхности Луны, Меркурия, Марса, верх, границы облаков Венеры и Юпитера. Позднее ИК-спектры Венеры и Марса показали присутствие в их атмосферах СO₂(к-рый оказался их осн. составляющей) и целого ряда др. газов - СО, Н₂О, на Венере, кроме того, НСl и HF. При помощи наземного телескопа с Фурье спектрометром были получены спектры этих планет в диапазоне 1-2,5 мкм с разрешающей силой l/Dl@10⁵. Информативность ИК-методов исследования планет резко увеличилась с началом полётов к ним космич. аппаратов. ИК-радиометры и спектральные приборы на космич. аппаратах "Марс-3", "Марс-5", "Маринер-9", "Викинг-1,-2" (США) дали информацию о широтных и суточных вариациях температуры, содержания Н₂О в атмосфере, а также данные о рельефе поверхности Марса. Анализ ИК-излучения Венеры по измерениям с борта её искусств, спутников "Пионер-Венера" и "Венера-15" выявил существенные широтные вариации строения мезосферы и облачного слоя, в т. ч. существование двух гигантских воронок (понижений верх, границы облачного слоя) в полярных широтах. Из-за большой интенсивности уходящего теплового излучения в этих приполярных областях совершенно необычным оказался

Рис. 2. Примеры спектров ИК-излучения Венеры (1) и Земли (2), полученных при помощи спектрометров Фурье, работавших на борту советских космических аппаратов "Венера-15" (1983) и "Метеор-28" (1977). По оси абсцисс волновые числа, по оси ординат - яркостная температура.

тепловой баланс планеты. Фундам. результат дали измерения теплового излучения Юпитера и Сатурна: их полный поток излучения больше, чем поток энергии, получаемой от Солнца, т. е. эти планеты имеют внутр. источник энергии. На космич. аппаратах "Вега-1,-2" (СССР) во время встречи с кометой Галлея впервые были измерены спектры излучения головы кометы в околоядерной зоне, найдены полосы, принадлежащие т. н. первичным молекулам, была определена темп-pa поверхности кометного ядра. Мн. звёзды, хорошо изученные в видимой области спектра, имеют т. н. избытки излучения в ИК-диапазоне. В нек-рых случаях почти всё изучение сосредоточено в области l>1 мкм (рис. 3). Его источником, как правило, является пылевое вещество в ближайших окрестностях этих звёзд (пылевые оболочки). Эти оболочки иногда бывают настолько плотными, что полностью поглощают излучение самой звезды и переизлучают его в более длинноволновом диапазоне. При этом спектр хорошо представляется единой планковской кривой, соответствующей температуре пылинок. Чаще звезда всё же просвечивает через оболочку, и в этом случае спектр представляется двумя приблизительно планковскими кривыми, одна из к-рых характеризует излучение оболочки, вторая - даёт распределение энергии в спектре звезды (деформированное при прохождении его через оболочку). Пылевыми оболочками обладают обычно старые звёзды, теряющие вещество (напр., красные гиганты), или молодые, окружённые остатками газопылевой среды, из к-рой они образовались. Наблюдения в ИК-дпапазоне часто являются единств, способом обнаружения молодых звёзд в областях активного звездообразования из-за большого кол-ва пыли, сильно поглощающей излучение в видимом диапазоне. Формирующаяся звезда (протозвезда) на самых ранних стадиях сама по себе имеет низкую температуру и является объектом, излучающим в ИК-диапазоне. Наблюдения ИК-спектров холодных звёзд позволили получить принципиально новые данные об их составе (в частности, было обнаружено, что в их атмосферах имеется Н₂О). Со спутника "ИРАС" был впервые проведён обзор всего неба, в диапазоне 10-100 мкм зарегистрировано

Рис. 3. Примеры распределения энергии в спектре звезл, имеющих сильное ИК-излучение. Примеры относятся к звёздам-гигантам и сверхгигантам поздних спектральных классов с температурой фотосферы от 1800 до 2500 К, радиусы их оболочек ~10¹⁵ см, а самих звёзд 10¹²-10¹³ см.

ок. 250 тыс. источников. Был обнаружен новый класс ИК-объектов - сплющенные диски ок. звёзд, имеющие характерные размеры порядка 100 а. е. и температуру неск. десятков Кельвинов. Возможно, из таких дисков образуются планетные системы. Нек-рые галактики и квазары также являются сильными источниками ИК-излучения. Природа его не всегда ясна. В нек-рых случаях оно может быть тепловым излучением газопылевых комплексов, а в других - синхротронным излучением. Синхротронным является также ИК-излучение Крабовидной туманности - одного из остатков сверхновых в нашей Галактике.

Литература по инфракрасной астрономии

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.