Инфракрасное (ИК) излучение охватывает диапазон длин волн примерно от 0.7 до 1000 микрон и располагается между видимым светом и радиоволнами в электромагнитном спектре. Источником ИК-излучения во Вселенной являются разнообразные физические процессы: тепловое излучение холодных тел (от 10 до 1000 К), переходы в молекулах и атомах, излучение пыли, обратное тормозное излучение, а также рассеяние и переизлучение коротковолнового света межзвёздной пылью.
ИК-астрономия требует учета законов теплового излучения, в первую очередь закона Планка, зависимости яркости от температуры и длины волны, а также законов Кирхгофа, описывающих излучающую способность тел. Спектры в ИК-диапазоне, как правило, содержат важную информацию о составе, температуре, плотности и скорости движения вещества.
ИК-диапазон условно делится на несколько зон: ближний (0.7–5 мкм), средний (5–25 мкм), дальний (25–200 мкм) и субмиллиметровый (200–1000 мкм). Для каждой из этих областей характерны разные классы источников и различные методы наблюдений.
Атмосфера Земли сильно поглощает инфракрасное излучение, особенно в среднем и дальнем диапазонах. Поглощение обусловлено, прежде всего, наличием водяного пара и углекислого газа. Наблюдения возможны лишь в атмосферных “окнах прозрачности”, например, в диапазонах 1.25, 1.65, 2.2, 3.5 и 10 мкм. Это ограничивает чувствительность наземных наблюдений и требует либо высотных обсерваторий, либо вывода телескопов за пределы атмосферы.
Наиболее эффективные методы:
ИК-детекторы принципиально отличаются от оптических. Они работают с тепловым излучением и требуют охлаждения до очень низких температур (до 0.1–10 К), чтобы снизить собственный тепловой шум. Наиболее часто используемые технологии:
Особое внимание уделяется калибровке, устранению фонового излучения и разработке технологий пассивного и активного охлаждения. Использование интерферометрии (например, VLTI) в ИК позволяет достигать высокого углового разрешения.
ИК-астрономия позволяет изучать множество объектов и процессов, недоступных в других диапазонах. Наиболее важные классы источников:
Молодые звёзды (YSO), протозвёзды и аккреционные диски излучают в ИК, так как окружены плотными облаками пыли, непрозрачными в оптическом диапазоне. ИК-диапазон позволяет наблюдать внутренние процессы в молекулярных облаках, включая коллапс и аккрецию.
Пыль, поглощая коротковолновое излучение, переизлучает его в ИК. Благодаря этому становятся видимыми тёмные облака, спиральные рукава галактик и остатки сверхновых. В спектрах пыли часто наблюдаются полосы поглощения и излучения молекул, таких как полициклические ароматические углеводороды (PAH).
ИК-диапазон эффективен для обнаружения протопланетных и обломочных дисков. Также он позволяет изучать тепловое излучение экзопланет, особенно при наблюдениях их в затмении и во время прохождений. Метан, вода, углекислый газ — все эти молекулы имеют характерные полосы в ИК, что делает этот диапазон ключевым в атмосферной спектроскопии экзопланет.
ИК-наблюдения позволяют заглянуть в области, скрытые от оптики: активные ядра галактик, где супермассивные чёрные дыры окружены пыльными торами. Пыль в этих регионах поглощает УФ и оптический свет и переизлучает его в среднем и дальнем ИК, что делает ИК-диапазон основным для изучения эволюции квазаров и сейфертовских галактик.
Интегральное ИК-излучение от несопоставимых по расстоянию и яркости источников формирует фон, важный для космологических исследований. Его изучение даёт информацию о звездообразовании в ранней Вселенной и распределении пыли на больших масштабах.
Важнейшие миссии:
Каждая миссия продвинула границы чувствительности, углового и спектрального разрешения, охватывая всё более глубокие и удалённые слои Вселенной.
ИК-астрономия играет ключевую роль в понимании эволюции вещества от молекулярных облаков до планетных систем. Она даёт уникальное окно в скрытую часть Вселенной — пыльную, холодную, далёкую. Без ИК-наблюдений невозможно построить полную картину процессов звездообразования, химической эволюции галактик и ранних этапов формирования космоса.
ИК-наблюдения становятся неотъемлемой частью мультиволнового анализа. Комбинация ИК с УФ, оптикой, рентгеном и радиодиапазоном даёт возможность создания полного физического портрета как отдельных объектов, так и космических структур в целом.
Продолжение технологического развития, особенно в области ИК-интерферометрии и охладительных систем, обещает новые открытия в ближайшие десятилетия.