Астрономія в інфрачервоному спектрі: дослідження невидимого Всесвіту.
Щодня ми маємо можливість спостерігати світ навколо нас. Бачити, як квітнуть рослини навесні, вночі палають зорі, а вдень сяє Сонце. Спостерігати, як сусіди не можуть поділити яблуню, а дворова кішка знову привела кошенят. Це все ми можемо робити за допомогою механізму наших очей та світла, точніше, хвиль світла, яке випромінює наше потужне світило. Наше око дозволяє нам бачити хвилі довжиною від 380 (фіолетовий колір) до 750 (червоний колір) нм.
Отже, як видно з наведеного зображення, природа подарувала нам здатність сприймати лише обмежений спектр хвиль. Проте людство відкриває, що поза межами наших сенсорних можливостей існують інші діапазони, які відкривають більш яскраву картину навколишнього світу.
Отже, у цій статті ми зосередимося на особливій галузі в широкому спектрі — інфрачервоній — та спробуємо виявити, які нові горизонти вона перед нами відкриває.
Дивує, але саме астрономія та прагнення до нових знань стали поштовхом для людства у відкритті інфрачервоного спектра. У 1800 році британський астроном Вільям Гершель здійснив важливий експеримент, вивчаючи сонячне світло. Він пропустив його через призму, розкриваючи кольори спектра, і вимірював температуру кожного з них. Зацікавившись, що відбувається за межами червоного спектру, де вже не було видимого світла, Гершель виявив, що температура в цій області виявилася вищою. Це підштовхнуло його до висновку про існування невидимого для людського ока випромінювання, здатного переносити тепло. Він назвав це випромінювання інфрачервоним. Це відкриття стало визначальним кроком у пізнанні невидимих частин світлового спектра і заклало основи для розвитку інфрачервоної астрономії.
Відтоді наука пройшла величезний шлях нових відкриттів і спостережень, тож сьогодні інфрачервона астрономія є одним із найважливіших напрямів сучасної астрономії, що дозволяє вивчати об'єкти, які залишаються невидимими для звичайних оптичних телескопів. Вона відкриває доступ до багатьох космічних явищ, прихованих за хмарами міжзоряного пилу або максимум випромінювання яких лежить поза межами видимого спектра.
Повертаючись до спектра інфрачервоного випромінювання, його хвильові довжини розташовані між видимим світлом і мікрохвильовим випромінюванням, займаючи проміжну позицію. Інфрачервоні промені зазвичай класифікують на три основні підкатегорії:
Як ви, напевно, вже здогадалися, інфрачервоні телескопи надають можливість спостерігати за космічними об'єктами та явищами, які залишаються непомітними в оптичному спектрі через різноманітні бар'єри.
Однією з таких базових перешкод в астрономії в цілому є міжзоряний пил, що поглинає і розсіює видиме світло. Хмари пилу часто оточують молоді зорі, протопланетні диски або області зореутворення, що робить їх невидимими для оптичних телескопів. Проте інфрачервоне випромінювання має більшу довжину хвилі та може проходити крізь ці пилові завіси, дозволяючи астрономам спостерігати приховані процеси.
Також багато об'єктів у Всесвіті, таких, як коричневі карлики, далекі планети, комети й астероїди, мають низьку температуру і випромінюють енергію переважно в інфрачервоному діапазоні. Коричневі карлики, наприклад, -- це об'єкти, маса яких занадто мала, щоб запустити термоядерні реакції, які живлять звичайні зорі. Вони "теплі", але недостатньо яскраві у видимому світлі. Вивчення таких об'єктів в інфрачервоному діапазоні дає змогу отримати інформацію про їхні фізичні характеристики, хімічний склад і процеси, що відбуваються на їхніх поверхнях.
Хоча інфрачервоне випромінювання є результатом тепла, важливо не плутати його довжину хвилі з температурою самого об'єкта. У Всесвіті різні об'єкти випромінюють енергію в різних спектрах залежно від їх температури. Це явище пояснюється законом випромінювання Планка, згідно з яким усі об'єкти, незалежно від їх температури, випромінюють енергію. Основна відмінність полягає в тому, в якому спектрі випромінюється найбільша кількість енергії. Гарячі об'єкти, як правило, випромінюють енергію у видимому або ультрафіолетовому спектрі, тоді як холодні об'єкти в основному випромінюють в інфрачервоному.
Таким чином, зниження температури об'єкта призводить до збільшення довжини хвиль, які він випромінює. Інфрачервоне випромінювання характеризується більшою довжиною хвиль у порівнянні з видимим світлом, що робить його основним типом випромінювання для об'єктів із низькою температурою. Натомість гарячі об'єкти випромінюють коротші хвилі, такі як видиме або ультрафіолетове світло. У випадку холодніших об'єктів їхнє випромінювання перебуває в довгих хвилях інфрачервоного спектра.
Тому навіть холодні тіла, такі як далекі планети, астероїди або коричневі карлики, які не світяться видимим світлом, продовжують випромінювати тепло в інфрачервоному діапазоні, й ми можемо їх виявити за допомогою інфрачервоних телескопів.
Один із найважливіших ефектів, що робить інфрачервону астрономію надзвичайно важливою для вивчення Всесвіту, -- це явище червоного зсуву. Через розширення Всесвіту світло від дуже далеких об'єктів, таких як галактики чи квазари, зміщується у бік довших хвиль. Це означає, що випромінювання, яке спочатку могло бути у видимому або ультрафіолетовому діапазоні, через розширення космічного простору зміщується в інфрачервону область спектра.
Завдяки цьому інфрачервоні телескопи можуть спостерігати за об'єктами, які перебувають на колосальних відстанях, що дозволяє заглянути в ранні епохи існування Всесвіту -- до мільярдів років тому. Це дає змогу астрономам вивчати найперші галактики, які виникли невдовзі після Великого вибуху, і розуміти, як розвивалася структура Всесвіту.
Успіх інфрачервоної астрономії тісно пов'язаний із прогресом у створенні потужних телескопів, які здатні функціонувати в цьому спектральному діапазоні, оскільки значна частина інфрачервоного випромінювання поглинається земною атмосферою. З цієї причини багато інфрачервоних обсерваторій розміщуються на великих висотах або розташовуються в космосі. Деякі з найзначніших місій, присвячених вивченню інфрачервоного спектра, залишили яскравий слід в історії астрономії.
Супутник Infrared Astronomical Satellite (IRAS), запущений у 1983 році, був першим апаратом, що здійснив повний огляд неба в інфрачервоному діапазоні. Він картував 96% неба чотири рази. Було виявлено близько 350 000 джерел на довжинах хвиль 12, 25, 60 та 100 мікрометрів, багато з яких все ще очікують на ідентифікацію. Близько 75 000 з них, як вважають, є галактиками, що все ще переживають стадію зореутворення. Багато інших джерел є звичайними зорями з дисками пилу навколо них, можливо, на ранній стадії формування планетної системи. Нові відкриття включали пиловий диск навколо Веги та перші зображення ядра Чумацького Шляху. Телескоп був спільним проєктом Сполучених Штатів (NASA), Нідерландів (NIVR) та Великої Британії (SERC).
Бортовий запас IRAS рідкого гелію був вичерпаний через 10 місяців -- 21 листопада 1983 року. Це призвело до підвищення температури телескопа, що завадило подальшим спостереженням. Космічний апарат продовжує обертатися довкола Землі.
Успішна діяльність IRAS викликала зацікавленість у реалізації місії проекту інфрачервоного телескопа, що планувався для встановлення на "космічному човнику". Це врешті-решт призвело до створення інфрачервоного телескопа SIRTF, який пізніше був трансформований у космічний телескоп Spitzer, що був запущений у 2003 році.
Спітцерівський космічний телескоп (2003-2020) став одним із найуспішніших інфрачервоних обсерваторій у космосі. Запущений NASA у 2003 році, він функціонував майже 17 років, перевершивши свій початковий план, який передбачав лише п'ять років роботи. Після вичерпання запасів рідкого гелію на борту та досягнення критично низьких температур, необхідних для роботи, більшість його інструментів виявилися нездатними до подальшої експлуатації. Проте два з короткохвильових модулів камери IRAC залишалися активними та продовжували демонструвати таку ж чутливість, як і раніше, і використовувалися до початку 2020 року в рамках програми Spitzer Warm.
Спітцер став важливим інструментом для дослідження екзопланет, зокрема їхніх атмосфер. Завдяки можливостям інфрачервоного спектра цього телескопа вдалося виявити молекули води, метану і вуглекислого газу в атмосфері деяких екзопланет, які можуть слугувати потенційними біомаркерними ознаками. Це відкриття створило нові перспективи для пошуку планет, що можуть підтримувати життя. Одним з найзначніших досягнень Спітцера стало детальне вивчення планетарної системи TRAPPIST-1, де були ідентифіковані сім планет, з яких три перебувають у зоні, придатній для життя в їхній зоряній системі.
Телескоп також досліджував галактики та зірки, які існували в ранніх стадіях розвитку Всесвіту, всього через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху. У 2005 році астрономи Олександр Кашлинський і Джон Мазер з Центру космічних польотів Годдарда NASA повідомили, що одне з перших зображень, отриманих телескопом Spitzer, могло зафіксувати світло найдавніших зірок у Всесвіті. Зображення квазара у сузір'ї Дракона, яке було отримано лише для калібрування телескопа, містило інфрачервоне випромінювання, яке залишилося після видалення світла відомих об'єктів.
Телескоп займався вивченням зореутворення, далеких галактик і пилових дисків, що оточують молоді зірки. Spitzer зробив вагомий внесок у космічну науку, зібравши безліч цінних даних, які і далі використовуються для нових досліджень. Його місія стала основою для появи нових інфрачервоних телескопів, таких як James Webb Space Telescope, який продовжить дослідження екзопланет, галактик та процесів, що відбувалися у ранньому Всесвіті.
Інфрачервона астрономія є ключем до вивчення багатьох об'єктів і явищ, які неможливо побачити у видимому спектрі. Ще однією проблемою є тільки те, що самі телескопи випромінюють інфрачервоне світло через власне нагрівання, тому вони потребують ефективного охолодження для забезпечення точних вимірювань. Але від народження зір і планет до аналізу далеких галактик і екзопланет ця галузь розширює наше розуміння Всесвіту, й нові інструменти, такі як James Webb Space Telescope, дозволять ще глибше заглянути у космос і розкрити безліч його таємниць.
