Iz knijige Astronomija na svim talasima, prof. Miroslava Filipovća, uz njegovu ljubaznu dozvolu, objavljujemo poglavlje:

---

λ_ir= 700 nm – 1 mm

INFRACRVENA ASTRONOMIJA

JUČE, DANAS I SUTRA

Otkriće Infracrvene svetlosti

Ser Frederik Vilijam Heršel (Sir Frederick William Herschel, 1738–1822) rodio se u Hanoveru, Nemačka i postao poznat kao muzičar i astronom. Emigrirao je u Englesku 1757. godine i sa svojom sestrom Karolinom konstruisao teleskope za posmatranje noćnog neba. Rezultat njihovog rada bio je nekoliko kataloga dvojnih zvezda i maglina. Heršel je možda najpoznatiji po otkriću planete Uran 1781. godine, prve novootkrivene planete još od antičkog vremena.

Godine 1800. Heršel je učinio još jedno veoma važno otkriće. Proučavao je toplotnu propustljivost različito obojenih filtera pri posmatranju Sunca i primetio da filteri različitih boja propuštaju različite količine toplote. Heršel je pomislio da boje same po sebi mogu sadržati različite količine toplote, te je osmislio pametan eksperiment u cilju provere svoje hipoteze. Razložio je Sunčevu svetlost u spektar pomoću staklene prizme i merio temperaturu svake boje. Za merenje temperature koristio je termometre sa zacrnjenim staklenim sudom (u cilju boljeg upijanja toplote). Dok bi jednim termometrom merio temperaturu neke od boja u spektru, ostala dva termometra postavljao bi radi kontrole u oblast izvan spektra. Mereći temperature ljubičaste, plave, zelene, žute, narandžaste i crvene svetlosti primetio je da temperatura raste od ljubičastog ka crvenom delu spektra. Utvrdivši ovu činjenicu, odlučio je da izmeri i temperaturu u oblasti neposredno uz ivicu crvenog dela spektra, u kojoj, kako se činilo, nema Sunčeve svetlosti. Na svoje veliko iznenađenje, konstatovao je da je temperatura najveća upravo u ovoj oblasti.

Heršel je nastavio eksperimentisanje sa „kaloričnim zracima“, kako je nazvao zrake koji su postojali iza crvenog kraja spektra, i utvrdio da se oni odbijaju, prelamaju, apsorbuju i prenose potpuno isto kao i zraci vidljive svetlosti. Ono što je Heršel otkrio bio je zapravo jedan oblik svetlosti (ili zračenja) iza crvene svetlosti. Ovi „kalorični zraci“ kasnije su preimenovani u infracrvene zrake ili infracrveno zračenje (prefiks infra na latinskom znači ispod, pod). Važnost Heršelovog eksperimenta ne sastoji se samo u tome što je doveo do otkrića infracrvenog zračenja, nego i što je po prvi put pokazao da postoje oblici zračenja koji nisu vidljivi za ljudsko oko.

Ser Frederik Vilijam Heršel (William Herschel; 1738–1822). Čovek koji je otkrio infracrvenu svetlost

Danas, infracrvena tehnologija ima mnoge značajne i korisne primene. U oblasti infracrvene astronomije postignuti su novi fascinantni rezultati u pogledu istraživanja Kosmosa. Zatim, infracrveni snimci su veoma korisno dijagnostičko sredstvo u medicini, koriste se i u vojne i bezbednosne svrhe, kao i za borbu protiv požara (infracrveni snimci imaju primenu u testira­nju elektronskih sistema i utvrđivanju toplotnih gubitaka zgrada). Infracrveni sateliti koriste se u meteorološke svrhe za praćenje vremena na Zemlji, izučavanje rasprostranjenosti rastinja, geološka istraživanja i merenje okeanskih temperatura. Godine 2000. navršilo se 200. godina od Heršelovog otkrića infracrvenog zračenja. Njegova originalna prizma i ogledalo izloženi su u Nacionalnom muzeju nauke i industrije u Londonu.

Šta je infracrveno zračenje?

Naše oči sazdane su tako da mogu opažati vidljivu svetlost (ili vidljivo zračenje). Vidljiva svetlost je samo jedan od vidova zračenja koji može prodreti kroz atmosferu Zemlje i biti registrovano na njenoj površini. Kao što znamo elektromagnetni spektar obuhvata gama, X, ultraljubičasto, vidljivo, infracrveno, mikrotalasno i radio-zračenje. Pored vidljive svetlosti i radio-talasa, jedan deo infracrvenog i ultraljubičastog zračenja takođe dospeva do Zemljine površine iz Kosmosa. Na svu sreću po život na Zemlji atmosfera sprečava prodor njegovog velikog dela koji je veoma štetan, ako ne i smrtonosan.

Infracrveno zračenje je smešteno između vidljivog i mikrotalasnog dela elektromagnetnog spektra. Prema tome, infracrveni talasi imaju talasne dužine duže od vidljive svetlosti i kraće od mikrotalasa, tj. učestanosti koje su više od mikrotalasnih i niže od učestanosti vidljive svetlosti. Deo infracrvenog spektra neposredno uz oblast vidljive svetlosti naziva se bliskom infracrvenom oblašću, dok se pod dalekom infracrvenom oblašću podrazumeva ona koja se graniči sa mikrotalasnim zračenjem.

Osnovni izvor infracrvenog zračenja je toplota ili termalno zračenje. Bilo koje telo sa temperaturom iznad apsolutne nule (-273.15 C ili O K) emituje infracrveno zračenje. Čak i ona tela koja nam izgledaju veoma hladna, kao na primer kockice leda, emituju infracrveno zračenje. Objekat koji nije dovoljno zagrejan da emituje vidljivu svetlost najveći deo energije emituje u infracrvenoj oblasti spektra. Na primer, užareni drveni ugalj (ćumur) daje veoma malo osvetljenja, ali zato izračuje dosta infracrvenih zraka koje osećamo kao toplotu. Što je neko telo toplije tim više emituje infracrveno zračenje. Ljudsko telo, pri normalnoj temperaturi, najintenzivnije zrači u infracrvenoj oblasti na talasnoj dužini od oko 10 mikrona (mikron ili mikrometar je milioniti deo metra).

Pošto sva tela izračuju toplotu, infracrveni detektori mogu opaziti objekte u tami, koje naše oči inače ne bi mogle zbog odsustva vidljive svetlosti. Na primer, zmije iz porodice zvečarki poseduju naročite jamice koje im služe za opažanje infracrvene svetlosti. Ovo omogućava zmijama da opaze toplokrvne životinje (čak i u mračnim jazbinama) osećajući infracrveno, tj. toplotno zračenje koje one emituju.

Mi se svakodnevno nalazimo u kontaktu sa ovom vrstom zračenja. Sunčeva toplota, toplota plamena, radijatora ili užarenog trotoara takođe su infracrveno zračenje. Iako ga naše oči ne mogu videti, nervi u našoj koži ga mogu osetiti kao toplotu. Toplotno osetljivi nervni završeci u koži mogu opaziti razliku između telesne temperature i temperature površine kože. Tele­vizijski daljinski upravljači takođe emituju infracrvene zrake.

Zašto je infracrveno zračenje korisno?

Infracrvena astronomija se bavi registrovanjem i proučavanjem infracrvenog zračenja (toplotne energije) koje dospeva sa objekata u Kosmosu. Svaki objekat koji ima temperaturu veću od apsolutne nule zrači u svim delovima elektromagnetnog spektra te tako i u infracrvenoj oblasti. Dakle, infracrvena astronomija se bavi proučavanjem praktično svega što se nalazi u Vasioni (jer je i pozadinsko zračenje koga ima svuda na oko 3K). Oblast definisanosti infracrvenog dela spektra u astronomiji odnosi se na područje osetljivosti infracrvenih detektora i leži između talasnih dužina od jednog do trista mikrona. Ljudsko oko može opaziti samo 1% svetlosti na talasnoj dužini od 0.69 mikrona i 0.01% na 0.75 mikrona, ali samo ako izvor nije previše sjajan.

 
Pogled u nevidljivo. Sazvežđe Orion u vidljivom i infracrvenom delu spektra.

Iz Kosmosa do nas stižu ogromne količine informacija posredstvom elektromagnetnog zračenja. Veći deo ovih informacija sadržan je u infracrvenom zračenju koje naše oko ne može da vidi i koje ne može da se posmatra pomoću teleskopa za vidljivu svetlost. Iako samo mali deo informacija u infracrvenom delu spektra dospeva do Zemljine površine, ipak proučavajući tu malu oblast talasnih dužina za koju je atmosfera propustljiva, uspevamo da prikupimo obilje korisnih podataka. Tek početkom osamdesetih godina prošlog veka postaje moguće slanje infracrvenih teleskopa u orbitu oko Zemlje, iznad atmosfere koja onemogućava posmatranja u infracrvenom dijapazonu sa same Zemlje. Nova otkrića dobijena sa ovih infracrvenih satelitskih misija su zadivljujuća. Prvi ovakav satelit – IRAS, Infracrveni astronomski satelit (Infrared Astronomical Satellite) registrovao je oko 350.000 infracrvenih izvora, povećavajući broj kataloški zavedenih infracrvenih astronomskih izvora za oko 70%.

Istraživanje sakrivene Vasione

U Vasioni postoje mnoge oblasti sakrivene od oka optičkih teleskopa zbog svoje utopljenosti u guste oblake gasa i prašine. Talasne dužine infracrvenog zračenja su veće od talasnih dužina vidljive svetlosti te ono može proći kroz oblasti prostora ispunjene prašinom bez većeg rasipanja, dok se optičko zračenje u potpunosti rasipa. To znači da smo u stanju da u infracrve­noj oblasti proučavamo objekte prekrivene gasom i prašinom kao što su na primer središte naše galaksije ili oblasti zvezda u nastajanju.

 
IRAS-ova mapa tačkastih izvora koja pokriva celo nebo (All Sky Map of IRAS Point Sources). Ravan naše galaksije postavljena je horizontalno na slici. Infracrveni intenzitet izvora prikazan je različitim bojama. Izvori označeni plavom bojom predstavljaju hladne zvezde unutar naše galaksije, koje su uglavnom koncentrisane u galaktičkoj ravni i oko centra galaksije. Žuto-zelenom bojom predstavljene su galaksije koje su u osnovi ravnomerno raspoređene po nebu, ali ih je veći broj skoncentrisan duž velikog kruga iznad galaktičke ravni. Ovo grupisanje uzrokuju galaksije lokalnog galaktičkog jata. Crvenkasti izvori, infracrveni cirusi, predstavljaju izuzetno hladnu materiju u našoj blizini. Crnim su označene oblasti koje IRAS nije ispitao.

Na slikama središnjeg dela naše galaksije i oblasti nastajanja novih zvezda u sazvežđu Labuda (Cygnus), može se jasno uočiti kako područja nevidljiva u običnoj svetlosti mogu biti posmatrana u infracrvenom delu spektra. U gornjem redu, prikazani su ovi regioni u crvenoj vidljivoj svetlosti. Na ovoj talasnoj dužini, možemo videti svetlost milijardi isključivo najsjajnijih zvezda. Primetimo tamne pojaseve gde veliki oblaci prašine onemogućavaju posmatranje udaljenijih objekata. U srednjem redu, prikazani su isti regioni u bliskoj infracrvenoj oblasti. I u ovom slučaju zračenje potiče od zvezda, samo što su sada manje, hladnije zvezde bolje izražene. Obratimo pažnju na to, kako su pojasevi prašine postali delimično propustljivi za zračenje, omogućavajući nam da uočimo detalje sakrivene u vidljivoj svetlosti. Uobičajen pogled na centralnu grupaciju zvezda u našoj galaksiji veoma je ograničen, jer je ova oblast gotovo potpuno zaklonjena na kraćim talasnim dužinama! Na tim talasnim dužinama teško da se može reći da zvezde uopšte emituju bilo kakvo zračenje. Ovde zračenje potiče uglavnom od samih oblaka prašine. Prašina, hladnija od najhladnije polarne noći na Zemlji, je još uvek dovoljno topla da bi emitovala termalno infracrveno zračenje.

Registrovanje hladnih objekata

Mnogi objekti u Kosmosu koji su suviše hladni i slabog sjaja da bi bili registrovani u vidljivoj svetlosti mogu se sa lakoćom uočiti u infracrvenoj oblasti. Takvi objekti su hladne zvezde, infracrvene galaksije, oblaci i čestice oko zvezda, magline, međuzvezdana materija sastavljena od molekula, braon patuljci i planete. Na primer, vidljiva svetlost sa planete pokrivena je sjajem zvezde oko koje planeta kruži. U infracrvenoj oblasti gde planete imaju maksimum svoga sjaja, sjaj zvezde je smanjen tako da je otvorena mogućnost detekcije planete u infracrvenoj oblasti. Neka od najuzbudljivijih otkrića u infracrvenoj astronomiji bila su detekcija diskova materije i mogućih pla­neta u okolini drugih zvezda. Prvi snimak moguće planete (niže levo na slici) načinjen je u infracrvenoj oblasti NICMOS kamerom Hablovog svemirskog teleskopa.

Hablov prvi direktan pogled na moguću planetu koja kruži oko udaljene zvezde. Ovaj Hablov snimak u bliskoj infracrvenoj oblasti prikazuje novonastali dvojni sistem sa dugačkom, tankom maglinom usmerenom prema pratiocu slabijeg sjaja koji može biti prva planeta van Sunčevog sistema snimljena direktno. Izvor: S. Terebey (Extrasolar Research Corp.) i NASA AURA/STScI

Istraživanje ranog Kosmosa

U oblasti infracrvenog zračenja mogu se prikupljati informacije o Kosmosu kakav je izgledao u davnoj prošlosti i proučavati rana evolucija galaksija. Kao posledica Velikog praska (ogromne eksplozije koja je označila otpočinjanje razvoja Kosmosa), svemir se širi i većina galaksija u njemu se udaljavaju jedna od druge. Utvrđeno je da se sve daleke galaksije udaljavaju sve brže što se nalaze na većem rastojanju od nas. Udaljavanje galaksija prouzrokuje interesantan efekat vezan za svetlost koja sa njih dospeva. Kada se objekat udaljava od nas tada sve talasne dužine svetlosti koje on emituje postaju duže i samim tim ceo spektar je pomeren ka crvenom delu. Ova pojava naziva se crvenim pomakom i posledica je Doplerovog efekta (kakav se javlja i kod zvučnih talasa koji se odašilju sa pokretnog tela. Na primer, posmatrač koji stoji pored železničke pruge i pored koga prolazi voz čija sirena daje zvučni signal, čuće zvuk koji menja učestanost od više ka nižoj.) Posledica Doplerovog efekta je da je sva svetlost iz ultraljubičastog i vidljivog dela spektra pomerena u infracrvenu oblast, što znači da je proučavanje svetlosti sa objekata sa velikim crvenim pomakom moguće samo u infracrvenom području. Infracrvena astronomija će obezbediti značajan deo informacija o tome kako i kada je Kosmos nastao i kako je izgledala prvobitna Vasiona.

Dopuna poznavanja vidljivih nebeskih tela

Nebeska tela koja se mogu videti u vidljivoj svetlosti takođe se mogu proučavati i u infracrvenoj oblasti. Dakle, infracrvena astronomija ne samo da doprinosi otkrićima novih objekata i posmatranju ranije oku nedostupnih oblasti Kosmosa, već uvećava naša prethodna znanja o ranije poznatim nebeskim telima. Da bi dobili celovitu sliku o bilo kom objektu u svemiru potrebno je proučiti sve vrste zračenja koje on emituje. Infracrvena astronomija proširivala je i proširivaće i dalje naša znanja o Kosmosu i poreklu Sunčevog sistema.

Nastavak

 

ASTRONOMIJA NA SVIM TALASIMA