Kızılötesi astronomi

Kızılötesi astronomi, kızılötesi radyasyon ile görüntülenebilen astronomik nesnelerin incelendiği astronomi dalıdır. Kızılötesi ışığın dalga boyu 0.75 ile 300 mikrometre arasında değişir. Kızılötesi, 380 ila 750 nanometre arasında değişen görünür radyasyon ile milimetre altı dalgalar arasında yer alır.
Kızılötesi astronomi, 1800'de William Herschel tarafından kızılötesi ışığın keşfedilmesinden birkaç yıl sonra, 1830'larda başladı. Erken ilerleme sınırlıydı ve 20. yüzyılın başlarına kadar Güneş ve Ay dışındaki astronomik nesnelerin kesin tespiti kızılötesi ışıkta yapıldı. 1950'lerde ve 1960'larda radyo astronomisinde bir dizi keşif yapıldıktan sonra, gökbilimciler görünür dalga boyu aralığı dışında mevcut olan bilgileri fark ettiler ve modern kızılötesi astronomi başlamış oldu.
Kızılötesi ve optik astronomi genellikle aynı teleskoplar kullanılarak uygulanır, çünkü aynı aynalar veya lensler genellikle hem görünür hem de kızılötesi ışığı içeren bir dalga boyu aralığında etkilidir. Her iki alan da katı hal dedektörlerini kullanır, ancak kullanılan belirli katı hal fotodetektörleri farklıdır. Kızılötesi ışık, Dünya atmosferindeki su buharı tarafından birçok dalga boyunda absorbe edilir, bu nedenle çoğu kızılötesi teleskop, kuru yerlerde, mümkün olduğunca atmosferin üzerinde, yüksek rakımlardadır. Uzayda ayrıca Spitzer Uzay Teleskobu ve Herschel Uzay Gözlemevi gibi kızılötesi gözlemevleri de var.
Tarihi
Kızılötesi radyasyonun keşfi, 1800 yılında bir prizmadan geçtikten sonra güneş ışığında farklı renklerde bir termometre yerleştirdiği bir deney yapan William Herschel'e atfedilir. Herschel, güneş ışığı ile oluşturulan sıcaklık artışının görünür bölgenin dışında, kırmızı ışığın hemen sonrasında başlayan kısımda en yüksek olduğunu keşfetmiştir. Kızılötesi dalga boylarında sıcaklık artışının en yüksek olması, Güneş'in özelliklerinden çok prizmanın spektral tepkisinden kaynaklanıyordu, ancak herhangi bir sıcaklık artışının olması, Herschel'i Güneş'ten görünmez radyasyon olduğu sonucuna götürdü. Bu radyasyona "kalorifik ışınlar" adını verdi ve aynen görünür ışık gibi yansıtılabileceğini, iletilebileceğini ve emilebileceğini göstermeye devam etti.
Diğer astronomik kaynaklardan gelen kızılötesi radyasyonu tespit etmek için 1830'lu yıllardan başlayarak ve 19. yüzyıla kadar devam eden çalışmalar yapıldı. Ay'dan gelen radyasyon ilk olarak 1856'da İskoçya Kraliyet Astronomu Charles Piazzi Smyth tarafından, dağın tepesinde astronomi hakkındaki fikirlerini test etmek için Tenerife'ye yaptığı bir keşif sırasında tespit edildi. Ernest Fox Nichols, Arcturus ve Vega'dan gelen kızılötesi radyasyonu tespit etmek için değiştirilmiş bir Crookes radyometresi kullandı, ancak Nichols sonuçların bir yere varmadığını düşündü. Öyle olsa bile, iki yıldız için bildirdiği akı oranı modern değerle tutarlıdır, bu nedenle George Rieke, Nichols'a kızılötesinde bizimkinden farklı bir yıldızın ilk tespiti için kredi verir.
Kızılötesi astronomi alanı, 20. yüzyılın başlarında yavaş yavaş gelişmeye devam etti, çünkü Seth Barnes Nicholson ve Edison Pettit, doğru kızılötesi fotometri yapabilen ve birkaç yüz yıldıza duyarlı olan termopil dedektörler geliştirdi. Alan, geleneksel gök bilimciler tarafından çoğunlukla ihmal edildi, ancak 1960'lara kadar, kızılötesi astronomiyi uygulayan çoğu bilim insanı, aslında eğitilmiş fizikçilerdi. 1950'ler ve 1960'larda radyo astronomisinin başarısı, kızılötesi detektör teknolojisinin iyileştirilmesiyle birleştiğinde, daha fazla gök bilimcinin dikkatini çekmesini sağladı ve kızılötesi astronomi, astronominin bir alt alanı olarak kendine kalıcı yer edindi.
Kızılötesi uzay teleskopları hizmete girdi. 1983'te IRAS tüm gökyüzü araştırması yaptı. 1995 yılında, Avrupa Uzay Ajansı Kızılötesi Uzay Gözlemevi'ni yarattı. 1998'de bu uydu sıvı helyumdan çıktı. Ancak ondan önce, evrenimizde (Satürn ve Uranüs'te bile) protostarları ve suyu keşfetti.
25 Ağustos 2003'te NASA, daha önce Uzay Kızılötesi Teleskop Tesisi olarak bilinen Spitzer Uzay Teleskobu'nu fırlattı. 2009 yılında, teleskopta sıvı helyum bitti ve uzak kızılötesi görme yeteneğini kaybetti. Yıldızları, Çift Sarmal Bulutsusu'nu ve güneş dışı gezegenlerden gelen ışığı keşfetmişti. 3.6 ve 4.5 mikrometre bantlarında çalışmalarına devam etti. O zamandan beri, diğer kızılötesi teleskoplar, oluşan yeni yıldızların, bulutsuların ve yıldız fidanlıklarının bulunmasına yardımcı oldu. Kızılötesi teleskoplar bizim için galaksinin yepyeni bir bölümünü açtı. Ayrıca kuasarlar gibi son derece uzak şeyleri gözlemlemek için de kullanışlıdırlar. Kuasarlar Dünya'dan uzaklaşır. Ortaya çıkan büyük kırmızıya kayma, onları optik bir teleskopla zor hedefler haline getirir. Kızılötesi teleskoplar onlar hakkında çok daha fazla bilgi verir.
Mayıs 2008'de, bir grup uluslararası kızılötesi gök bilimci, galaksiler arası tozun uzak galaksilerin ışığını büyük ölçüde azalttığını kanıtladı. Gerçekte, galaksiler göründüklerinin neredeyse iki katı parlaktır. Toz, görünür ışığın çoğunu emer ve onu kızılötesi ışık olarak yeniden yayar.
Modern kızılötesi astronomi
Yakın kızılötesi olarak bilinen görünür ışıktan biraz daha uzun dalga boylarına sahip kızılötesi radyasyon, görünür ışığa çok benzer şekilde davranır ve benzer katı hal cihazları kullanılarak tespit edilebilir (bu nedenle birçok kuasar, yıldız ve galaksi keşfedilmiştir). Bu nedenle, spektrumun yakın kızılötesi bölgesi genellikle yakın ultraviyole ile birlikte "optik" spektrumun bir parçası olarak dahil edilir. Keck Gözlemevi'ndekiler gibi birçok optik teleskop, yakın kızılötesinde ve görünür dalga boylarında etkin bir şekilde çalışır. Uzak kızılötesi, Mauna Kea Gözlemevi'ndeki James Clerk Maxwell Teleskopu gibi teleskoplar tarafından gözlemlenen milimetre altı dalga boylarına kadar uzanır.
Diğer tüm elektromanyetik radyasyon formları gibi, kızılötesi, astronomlar tarafından evreni incelemek için kullanılır. Aslında, 2MASS ve WISE astronomik araştırmalarıyla alınan kızılötesi ölçümler, daha önce keşfedilmemiş yıldız kümelerinin ortaya çıkarılmasında özellikle etkili olmuştur. Bu tür gömülü yıldız kümelerinin örnekleri FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30 ve Majaess 99'dur. En önemli optik teleskopların yanı sıra birkaç özel kızılötesi teleskopu içeren kızılötesi teleskopların sıvı nitrojen ile soğutulması ve sıcak nesnelerden korunması gerekir. Bunun nedeni, birkaç yüz Kelvin sıcaklıktaki nesnelerin termal enerjilerinin çoğunu kızılötesi dalga boylarında yaymasıdır. Kızılötesi dedektörler soğutulmamış olsaydı, dedektörün kendisinden gelen radyasyon, herhangi bir göksel kaynaktan gelen radyasyonu gölgede bırakacak gürültüye katkıda bulunacaktır. Bu özellikle spektrumun orta kızılötesi ve uzak kızılötesi bölgelerinde önemlidir.
Daha yüksek açısal çözünürlük elde etmek için bazı kızılötesi teleskoplar birleştirilerek astronomik girişimölçerler oluşturulur. Bir interferometrenin etkili çözünürlüğü, tek tek teleskopların boyutundan ziyade teleskoplar arasındaki mesafeye göre belirlenir. Uyarlanabilir optiklerle birlikte kullanıldığında, Keck Gözlemevindeki iki adet 10 metrelik teleskop gibi kızılötesi girişimölçerler veya Çok Büyük Teleskop Girişimölçeri'ni oluşturan dört adet 8,2 metrelik teleskop, yüksek açısal çözünürlük elde edebilir.
Yer tabanlı teleskopların kızılötesi duyarlılığındaki temel sınırlama, Dünya'nın atmosferidir. Su buharı önemli miktarda kızılötesi radyasyonu emer ve atmosferin kendisi kızılötesi dalga boylarında yayılır. Bu nedenle, çoğu kızılötesi teleskop, atmosferdeki su buharının çoğunun üzerinde olacak şekilde yüksek rakımda çok kuru yerlerde inşa edilmiştir. Dünya üzerindeki uygun yerler arasında deniz seviyesinden 4205 metre yükseklikte Mauna Kea Gözlemevi, Şili'de 2635 metre yükseklikte Paranal Gözlemevi ve Antarktika'daki Dome C gibi yüksek rakımlı buz çölü bölgeleri bulunmaktadır. Yüksek rakımlarda bile, Dünya atmosferinin şeffaflığı, kızılötesi pencereler veya Dünya atmosferinin şeffaf olduğu dalga boyları dışında sınırlıdır. Ana kızılötesi pencereler aşağıda listelenmiştir:
Görünür ışık teleskoplarında olduğu gibi uzay, kızılötesi teleskoplar için ideal yerdir. Uzayda, kızılötesi teleskoplardan gelen görüntüler, Dünya atmosferinin neden olduğu bulanıklıkları içermediklerinden ve aynı zamanda Dünya atmosferinin neden olduğu absorpsiyondan muaf olduklarından daha yüksek çözünürlük elde edebilirler. Uzaydaki mevcut kızılötesi teleskoplar arasında Herschel Uzay Gözlemevi, Spitzer Uzay Teleskobu ve Geniş Alan Kızılötesi Araştırma Gezgini bulunmaktadır. Teleskopları yörüngeye yerleştirmek pahalı olduğundan, Kızılötesi Astronomi için Stratosfer Gözlemevi ve Kuiper Havadan Gözlemevi gibi havadan gözlemevleri de var. Bu gözlemevleri, teleskopları atmosferin tamamının olmasa da çoğunun üzerine yerleştiriyor, bu da atmosferdeki su buharı tarafından uzaydan gelen kızılötesi ışığın emildiği anlamına geliyor.
Kızılötesi teknolojisi
Araştırma teleskoplarında kullanılan en yaygın kızılötesi detektör dizilerinden biri HgCdTe dizileridir. Bunlar 0,6 ile 5 mikrometre dalga boyları arasında iyi çalışır. Daha uzun dalga boyu gözlemleri veya daha yüksek hassasiyet için, diğer dar aralıklı yarı iletken dedektörler, düşük sıcaklık bolometre dizileri veya foton sayımlı Süperiletken Tünel Bağlantı dizileri dahil olmak üzere başka dedektörler kullanılabilir.
Kızılötesi astronomi için özel gereksinimler şunlardır: uzun entegrasyon sürelerine izin vermek için çok düşük karanlık akımlar, ilişkili düşük gürültü okuma devreleri ve bazen çok yüksek piksel sayıları.
Düşük sıcaklığa çoğu zaman dışarı çıkabilen bir soğutma sıvısı ile ulaşılır. Soğutucu beslemesi tükendiğinde uzay görevleri ya sona erdi ya da "sıcak" gözlemlere geçti. Örneğin, WISE, piyasaya sürüldükten yaklaşık on ay sonra, Ekim 2010'da soğutma suyunu bitirdi. (Ayrıca bakınız NICMOS, Spitzer Uzay Teleskobu)
Gözlemevleri
Uzay gözlemevleri
Çoğu uzay teleskopu, kızılötesi dalga boyu aralığı ile en azından bir dereceye kadar örtüşen bir dalga boyu aralığında elektromanyetik radyasyonu tespit eder. Bu nedenle, hangi uzay teleskoplarının kızılötesi teleskoplar olduğunu belirlemek zordur. Burada "kızılötesi uzay teleskobu" tanımı, ana görevi kızılötesi ışığı algılamak olan bir uzay teleskobu olarak alınmıştır.
Uzayda yedi kızılötesi uzay teleskopu çalıştırılmıştır. Bunlar:
Kızılötesi Astronomik Uydu (IRAS), 1983'te işletildi (10 ay). ABD (NASA), İngiltere ve Hollanda'nın ortak misyonu.
Kızılötesi Uzay Gözlemevi (ISO), 1995-1998'de işletilen, ESA görevi.
Kurs Ortası Uzay Deneyi (MSX), 1996-1997'de işletilen, BMDO misyonu.
Spitzer Uzay Teleskobu, 2003-2020 tarafından işletilen, NASA görevi.
Akari, 2006-2011, JAXA görevini yürüttü.
Herschel Uzay Gözlemevi, 2009-2013, ESA misyonunu işletti.
Geniş alan Kızılötesi Araştırma Gezgini (WISE), 2009-, NASA görevi tarafından işletilmektedir.
Ek olarak, James Webb Uzay Teleskobu, 2021'de fırlatılması planlanan bir kızılötesi uzay teleskopudur. SPHEREx'in 2023'te piyasaya sürülmesi planlanıyor. NASA ayrıca Geniş Alan Kızılötesi Araştırma Teleskobu'nu (WFIRST) inşa etmeyi düşünüyor.
ESA, kendi yakın kızılötesi uydusu Euclid uydusunu geliştirdi. 2022'de fırlatılması planlanmaktadır.
Diğer birçok küçük uzay görevi ve kızılötesi radyasyonun uzay tabanlı dedektörleri uzayda çalıştırıldı. Bunlar, Uzay Mekiği ile uçan Kızılötesi Teleskopu (IRT) içermektedir.
Milimetre altı Dalga Astronomi Uydusundan (SWAS), milimetre altı bir uydu olmasına rağmen, bazen kızılötesi uydu olarak bahsedilir.
Uzay teleskoplarında kızılötesi cihazlar
Birçok uzay teleskopu için, sadece bazı aletler kızılötesi gözlem yapabilir. Aşağıda, bu uzay gözlemevleri ve araçlarının en dikkate değerlerinden bazıları listelenmiştir:
Kozmik Arka Plan Gezgini (COBE) uydusu (1989-1993) Yaygın Kızılötesi Arka Plan Deneyi (DIRBE) cihazı
Hubble uzay teleskopu (1990-) Yakın Kızılötesi Kamera ve Çok Nesneli Spektrometre (NICMOS) cihazı (1997-1999, 2002-2008)
Hubble uzay teleskopu (1990-) Geniş Alan Kamera 3 (WFC3) kamera (2009-) kızılötesi gözlemler.
Uçan Gözlemevleri
Gökyüzünü kızılötesi olarak incelemek için üç uçak tabanlı gözlemevi kullanıldı (diğer uçaklar da bazen kızılötesi uzay çalışmalarına ev sahipliği yapmak için kullanıldı). Onlar:
Galileo Gözlemevi, bir NASA görevi. 1965-1973'te aktif olmuştur.
Kuiper Airborne Gözlemevi, bir NASA görevi. 1974-1995 yılları arasında aktif olmuştur.
SOFIA, bir NASA - DLR görevi. 2010'dan beri aktif.