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

λ_ir= 700 nm – 1 mm

INFRACRVENA ASTRONOMIJA

Prethodni deo

Posle Heršelovog otkrića infracrvenih zraka koje je pokazalo da ih Sunce emituje, astronomi su pokušali da utvrde da li i druga nebeska tela emituju infracrvene talase. 1856. godine astronomi su koristili termoparove (uredjaje koji pretvaraju toplotu u električnu struju) da bi registrovali infracrveno zračenje sa Meseca. Znatno docnije, tek 1948. godine (dve decenije pre spuštanja čoveka na Mesec) mnogo finija proučavanja Meseca pokazala su da je njegova površina prekrivena sitnim prahom. Početkom 20. veka uspešno je registrovano i infracrveno zračenje sa Jupitera, Saturna i nekih sjajnijih zvezda kao što su Vega i Arkturus. Ipak, mala osetljivost prvih infracrvenih instrumenata nije dopuštala detekciju drugih izvora zračenja u bliskom infracrvenom dijapazonu. Rad u infracrvenoj astronomiji ostao je na relativno niskom nivou sve do velikih prodora u razvoju novih, osetljivih infracrvenih detektora 60-ih godina 20. veka.

Nova tehnologija

U toku nekoliko proteklih decenija, infracrvena astronomija postala je velika oblast naučno-istraživačkog rada prvenstveno zbog brzog napretka tehnologije infracrvenih detektora. Veliki broj inovacija potekao je od Istraživačkog odeljenja ministarstva odbrane Sjedinjenih Država tokom 80-ih godina minulog veka. Infracrveno zračenje, koje ima veće talasne dužine i manju energiju od vidljive svetlosti, ne raspolaže dovoljnom energijom da deluje na fotografske ploče koje se upotrebljavaju za registraciju obične svetlosti. Zbog toga astronomi su se više okrenuli primeni elektronskih detektora za registrovanje ove vrste zračenja. Prvi astronomi koji su se bavili registracijom infracrvenog zračenja koristili su termoparove i grupe termoparova povezane u jedinstvene ćelije.

50-ih godina 20. veka astronomi su počeli da koriste olovno-sulfidne detektore za proučavanje zračenja u području od jednog do četiri mikrona. Kada bi infracrveno zračenje dospelo na površinu olovno-sulfidne ćelije menjala bi se njena električna otpornost. Ova promena el. otpornosti može se meriti, a ova veličina povezana je sa količinom zračenja koje je dospelo na ćeliju. Da bi se povećala osetljivost olovno-sulfidnih ćelija one su hladjene do temperature od 77 Kelvina postavljanjem u posudu sa tečnim azotom.

Veliki napredak postignut je 1961. godine sa razvojem germanijumskog bolometra. Ovaj instrument je bio stotinama puta osetljiviji od prethodnih detektora i bio u stanju da pokriva sve talasne dužine infracrvenog zračenja. U osnovi rad ovog detektora je zasnovan na sledećem principu: hladan tanak sloj germanijuma smešten je u posudu koja ima mali otvor na sebi. Kada infracrveno zračenje udje kroz otvor u posudu i dospe na germanijumski sloj ono zagreva metal i menja njegovu el. provodnost. Izmena el. provodnosti može se meriti, a ova veličina direktno je proporcionalna količini infracrvenog zračenja koje ulazi u posudu. Germanijumski bolometar najbolje funkcioniše na ekstremno niskim temperaturama (mnogo nižim od temperatura tečnog azota). Najbolji način za hladjenje bolometra na tako niske temperature je okružiti ga tečnim helijumom na 4 Kelvina. To je svega nekoliko stepeni iznad apsolutne nule. Da bi se ovo postiglo projektovan je metalni Djuarov sud (sličan dobro izolovanoj termos boci) koji je bio u stanju da drži tečni helijum u koga je bolometar uronjen. Ova vrsta infracrvenog detektora je osetljiva na celu oblast infracrvenih talasnih dužina. Da bi se proučavala neka ograničena oblast infracrvenog spektra ispred detektora je potrebno postaviti odgovarajuće filtre koji će odstraniti sve talasne dužine izuzev željenih.

Tehnologija infracrvenih detektora nastavlja napredovanje velikom brzinom. Astronomi danas koriste indijum- antimonidne i živa-kadmijum-teluridne detektore za opseg talasnih dužina od jednog do pet mikrona. Ovi detektori funkcionišu na sličan način kao i olovo-sulfidni, s tim što su u ovom slučaju upotrebljeni materijali koji su još osetljiviji na infracrveno zračenje. Razvoj sistema infracrvenih detektora tokom 1980-ih godina doveo je do znatnog poboljšanja u osetljivosti infracrvenih posmatranja. U osnovi detektorski sistem predstavlja kombinaciju nekoliko pojedinačnih detektora. Ovi sistemi omogućavaju astronomima da odjedamput dobijaju slike koje sadrže na desetine hiljada piksela. Sistemi infracrvenih detektora korišćeni su u nekoliko satelitskih misija. 1983. godine, u misiji IRAS, korišćen je sistem sastavljen od 62 detektora. Danas se najviše upotrebljavaju sistemi razmera 256x256 detektora. Zahvaljujući ovakvom naglom napretku u infracrvenoj tehnologiji, infracrvena astronomija se razvijala mnogo brže nego bilo koja druga oblast astronomije, nastavljajući da daje nove plodove u istraživanju kosmosa.

Infracrvena posmatranja sa Zemlje

Infracrveni detektori postavljeni na teleskope koji se nalaze na Zemlji mogu detektovati zračenje iz bliske infracrvene oblasti, tj. ono koje propušta Zemljina atmosfera. Najbolje lokacije za infracrvena posmatranja na Zemlji su visoke, suve planine koje se uzdižu iznad velikog dela vodene pare u atmosferi koja i onemogućava prolazak infracrvenom zračenju. Na ovim velikim nadmorskim visinama astronomi su u mogućnosti da proučavaju infracrveno zračenje u oblastima spektra sa sledećim središnjim talasnim dužinama: 1.25, 1.65, 2.2, 3.5, 4.75, 10.5, 19.5 i 35 mikrona. Teleskopi, baš kao i naša atmosfera, i sami emituju infracrveno zračenje što može znatno otežati posmatranja kosmičkih izvora. Infracrveni teleskopi su projektovani tako da je količina ovog neželjenog infracrvenog zračenja koje dospeva na detektore strogo ograničena. Svi infracrveni teleskopi na Zemlji hlade se do krajnje niskih temperatura da bi se umanjila njihova sopstvena termalna emisija. Ovome treba dodati da merenja infracrvenog zračenja kosmičkih izvora na Zemlji u sebi sadrže i udeo zračenja koje potiče od Zemljine atmosfere. Zato se u cilju dobijanja tačnih vrednosti merenja atmosferska emisija infracrvenog zračenja mora oduzeti od izmerene količine zračenja koje emituje kosmički objekat.

Sredinom 1960-ih godina sačinjen je prvi infracrveni pregled neba sa Maunt Vilson (Mount Wilson) opservatorije korišćenjem olovno-sulfidnih detektora hladjenih tečnim azotom čiji se maksimum osetljivosti nalazio na talasnoj dužini od 2.2 mikrona. Ovaj pregled neba pokrivao je približno 75 procenata neba i sadržao je oko 20000 infracrvenih izvora. Mnogi od ovih izvora bili su zvezde koje nikad nisu zapažene u vidljivoj svetlosti. Ove zvezde mnogo su hladnije nego naše Sunce i imaju temperature od 1000 do 2000 Kelvinovih stepeni. Sunce ima površinsku temperaturu od oko 6000 Kelvina. 5500 najsjajnijih izvora iz ovog infracrvenog pregleda neba ušlo je u prvi katalog infracrvenih zvezda. Delimičan infracrveni pregled neba uradjen je 1968. godine na Maunt Džon (Mount John) opservatoriji na Novom Zelandu.

Nove opservatorije na kojima vršena isključivo infracrvena posmatranja pojavile su se 1960-ih godina zahvaljujući napretku u tehnologiji infracrvenih detektora. Najveća grupa teleskopa za infracrvena posmatranja nalazi se na vrhu Mauna Kee (Mauna Kea) – ugašenog vulkana na Havajskim ostrvima.

Početkom sedamdesetih godina otkriveno je da središta većine galaksija emituju jako infracrveno zračenje, uključujući tu i našu galaksiju, Mlečni Put. Takodje, utvrdjeno je da i kvazari, kao i ostale aktivne galaksije emituiju veoma intenzivno infracrveno zračenje. Sva ova nova saznanja rezultat su posmatranja u bliskoj infracrvenoj oblasti vršenih sa Zemlje. Danas je veliki broj većih teleskopa na Zemlji prepravljen tako da može služiti i za infracrvena posmatranja. Na većini ovih infracrvenih teleskopa koristi se adaptivna optika za dobijanje veoma oštrih slika. Adaptivna optika uklanja zamućenja na astronomskim snimcima koja nastaju kao posledica atmosferske turbulencije.

Infracrvena posmatranja iz kosmosa

Pored toga što apsorbuje veliki deo infracrvenog zračenja kosmičkih izvora, Zemljina atmosfera sama zrači u infracrvenom delu spektra što ometa infracrvena posmatranja. I ovo je jedan od važnijih razloga zbog koga je bolje infracrvena posmatranja vršiti van atmosfere ili iz njenih viših slojeva. U tom cilju infracrveni detektori se postavljaju u balone, avione ili rakete i na taj način se omogućavaju posmatranja na većim talasnim dužinama. I bez obzira na to što se na ovaj način može posmatrati samo mali deo neba u kratkom vremenskom periodu, ipak je putem takvih posmatranja dat veliki doprinos infracrvenoj astronomiji.

Prvi teleskopi sa sistemima za hladjenje postavljani su na rakete i mogli su posmatrati nebo u toku nekoliko minuta pre povratka rakete u gušće slojeve atmosfere. Prva infracrvena mapa celog neba usledila je nakon niza letova raketa lansiranih od strane Istraživačke laboratorije ratnog vazduhoplovstva u Kembridžu (Air Force Cambridge Research Laboratory). Zadatak ovoga projekta, pod nazivom Hi Star, bio je da se izvrši pregled neba na infracrvenim talasnim dužinama od 4, 10 i 20 mikrona. Iako ukupno vreme svih posmatranja nije prevazilazilo 30 minuta, ipak je uspešno registrovano 2363 infracrvenih izvora, a ova posmatranja objavljena kao Infracrveni pregled neba Istraživačke laboratorije ratnog vazduhoplovstva u Kembridžu (AFCRL Infrared Sky Survey). Oko 70% ovih izvora poklapali su se sa već nadjenim izvorima u infracrvenom pregledu neba na talasnoj dužini od 2.2 mikrona Maunt Vilson opservatorije. Detektori na raketama pronašli su, takodje, jaku infracrvenu emisiju iz HII regiona (oblasti jonizovanog vodonika) i središta naše galaksije.

Baloni od izdržljivog poliestera napunjeni helijumom podizali su infracrvene teleskope i do visina većih od 25 milja. 1963. godine germanijumski bolometar bio je postavljen na balon da bi se načinili infracrveni snimci Marsa. Počev od 1966. godine Godardov institut za istraživanje kosmosa (Goddard Institute of Space Sciences) koristio je balone za pregled neba na talasnoj dužini od 100 mikrona. Njihov program je doveo do otkrića od oko 120 sjajnih infracrvenih izvora u blizini ravni naše galaksije.

Pomoću infracrvenih teleskopa postavljenih na avione, kao što je Kuiper Airborne Observatory, otkriveni su prstenovi oko planete Uran, 1977. godine. Kuiper Airborne Observatory korišćena je preko 20 godina za prikupljanje astronomskih podataka u infracrvenom delu spektra i mogla se podići na visinu od oko 41000 stopa, dakle iznad 99% vodene pare u Zemljinoj atmosferi. Pored toga što su mogle proučavati infracrveno zračenje do tada nedostupnih talasnih dužina, avionske opservatorije mogle su registrivati i veoma slabe infracrvene izvore koje ne bi bilo moguće detektovati uspešno sa tla (kao što su naprimer medjuzvezdani oblaci). NASA razradjuje nove planove za novu avionsku opservatoriju. SOFIA – Stratosferska opservatorija za infracrvenu astronomiju (Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy) sadržaće teleskop za optička i infracrvena posmatranja montiran na Boing 747.

Sedamdesetih godina prošlog veka astronomi širom sveta počeli su da razmatraju mogućnost postavljanja infracrvenog teleskopa na satelit u orbiti oko Zemlje. Ovaj teleskop trebalo je da se nalazi izvan Zemljine atmosfere i posmatra nebo na dalekim infracrvenim talasnim dužinama koje je bilo teško registrovati na Zemlji. Mogao bi da vrši pregled velike zone neba i posmatra tokom dužeg vremenskog perioda.

Od 1977. godine otpočela je medjunarodna saradnja Holandije, Sjedinjenih Država i Velike Britanije na razvoju IRAS-a ,–Infracrvenog astronomskog satelita (Infrared Astronomical Satellite). Inženjeri iz Sjedinjenih Država izradili su teleskop, detektore i sistem za hladjenje. Britanci su izgradili zemaljsku satelitsku stanicu i kontrolni centar, a holandski tim radio je na kosmičkoj letelici što je uključivalo i rad na izgradnji kompjuterskog sistema na letelici, kao i sistema za njeno usmeravanje.

Izgradnja kosmičkog infracrvenog teleskopa nije ni malo lak zadatak. Posle mnogo godina istrajnog rada i prevazilaženja mnogih poteškoća, 25. januara 1983. godine IRAS je uspešno lansiran. Teleskop sa 62 detektora smešten je u Djuarov sud ispunjen sa 127 galona tečnog helijuma. Ceo teleskop hladi se do temperature od svega nekoliko stepeni iznad apsolutne nule jer bi inače sam teleskop emitovao infracrveno zračenje (toplotu) koje ometa posmatranja. Kosmički infracrveni teleskop mora biti hladniji od objekata koji se njime posmatraju.

Slika XX: Umetnička predstava Infracrvenog astronomskog satelita, IRAS na svojoj orbiti bliskoj polarnoj, koja se nalazi na visini od 560 milja iznad Zemlje. Sa ove povoljne lokacije IRAS pretražuje nebo da bi pronašao nove zvezde i druge infracrvene izvore, na Zemlji nedostupne za posmatranja zbog atmosfere.

IRAS-ova misija trebalo bi da traje onoliko koliko to stanje tečnog helijuma bude omogućavalo. Tokom samo deset meseci IRAS je pretražio 96 procenata neba četiri puta, načinivši do sada najdetaljniju mapu celog neba uradjenu sa najvišom mogućom osetljivošću na talasnim dužinama od 12, 25, 60 i 100 mikrona. IRAS je povećao broj kataloški obradjenih astronomskih izvora za oko 70%, registrujući oko 350000 infracrvenih izvora. U IRAS-ova otkrića mogu se ubrojati prašinasti diskovi oko zvezde Vega, šest novih kometa, vrlo jaka infracrvena emisija sa galaksija u medjusobnom gravitacionom dejstvu, kao i pramenovi vrele prašine, nazvani infracrvenim cirusima, koji se daju primetiti u gotovo svakom pravcu u kosmosu. IRAS je, takodje, po prvi put zavirio u jezgro naše galaksije, Mlečnog puta.

Posle IRAS-a, uspešno je lansirano još nekoliko kosmičkih satelitskih infracrvenih opservatorija. Tokom jula i avgusta 1985. godine, sa spejs šatlom Spacelab 2 leteo je i infracrveni teleskop čiji je zadatak bio da dopuni IRAS-ova posmatranja. Tokom ove misije sačinjena je visokokvalitetna mapa oko 60% ravni naše galaksije.

Novembra 1989. godine, NASA je lansirala satelit Kobe (COBE) za proučavanje infracrvenih i mikrotalasnih karakteristika kosmičkog pozadinskog zračenja (ostataka ogromne toplote nastale u Velikom prasku). Tokom desetomesečnog perioda, Kobe je mapirao pozadinski sjaj celokupnog neba na nekoliko infracrvenih talasnih dužina i utvrdio da ono nije potpuno ujednačeno na svim delovima neba i da su prisutne, istina neznatne, razlike u njegovoj temperaturi. Ove male razlike u temperaturi kosmičkog pozadinskog zračenja mogu nam dati odgovore na pitanja o nastanku galaksija.

Infracrveni teleskop u kosmosu (The Infrared Telescope in Space, IRTS) lansiran je u orbitu marta 1995. godine i to je bila prva japanska infracrvena satelitska misija. Za 28 dana, koliko je misija trajala, IRTS je posmatranjima pokrio oko 7% neba sa četiri instrumenta: spektrometrom za blisku i srednju infracrvenu oblast tj. područje talasnih dužina od 1.4 do 4 mikrona (bliska infracrvena oblast) i od 4.5 do 11 mikrona (srednja infracrvena oblast), instrumentom za mapiranje spektralnih linija u dalekoj infracrvenoj oblasti koji je proučavao spektralne linije kiseonika i ugljenika na talasnim dužinama od 63 i 158 mikrona, kao i fotometrom za daleku infracrvenu oblast za izučavanje neba u četiri područja infracrvenog spektra sa središnjim talasnim dužinama na 150, 250, 400 i 700 mikrona. Ovi podaci doprineli su našem poznavanju kosmologije, medjuzvezdane materije, zvezda kasnijih tipova i medjuplanetarne prašine.

Evropska kosmička agencija, ESA lansirala je Infracrvenu kosmičku opservatoriju (the Infrared Space Observatory, ISO) novembra 1995. godine. ISO, koja je posmatrala na talasnim dužinama izmedju 2.5 i 240 mikrona, ne samo da je obuhvatala mnogo širi dijapazon infracrvenog dela spektra od IRAS-a, nego je imao i nekoliko hiljada puta veću osetljivost i mogao je posmatrati infracrvene izvore u mnogo boljoj rezoluciji. ISO je prikupljao podatke u toku 2.5 godine (tri puta duže nego IRAS). Njegov rad prekinut je aprila 1998. godine kada su sve njegove zalihe tečnog helijuma istrošene. ISO je sadržao instrumente koji su merili detalje i na manjim i na većim infracrvenim talasnim dužinama, infracrvenu kameru sa dva detektorska sistema, a takodje i fotometar. Za razliku od IRAS-a, čiji je prevashodni zadatak bio pregled neba, ISO misija je omogućila astronomima da vrše detaljna posmatranja posebnih nebeskih tela. Kako na obradi podataka sa ISO-a radi na stotine astronoma iz više zemalja opravdano se očekuju mnoga nova značajna otkrića. ISO je već detektovao suvi led u medjuzvezdanoj prašini i ugljovodonike u nekim maglinama.

Satelit Midcourse Space Experiment, MSX lansiran je aprila 1996. godine i funkcionisao je sve dok su postojale zalihe tečnog helijuma za hladjenje, do februara 1997. godine. U toku 10 meseci rada, MSX je sakupio ogromnu količinu podataka na talasnim dužinama izmedju 4.2 i 26 mikrona. MSX je proučavao emitovanje infracrvenog zračenja iz gasa i prašine kojima je kosmos prožet. MSX je imao 30 puta veću prostornu rezoluciju od IRAS-a i posmatrao sve one oblasti neba koje su izostavljene tokom IRAS-ove misije.

Prethodni deo * Nastavak

ASTRONOMIJA NA SVIM TALASIMA