Infrarot-Teleskope und Observatorien

Infrarot-Teleskope und Observatorien werden gebaut, um Wärmestrahlung von kühlen, staubigen und weit entfernten Objekten zu beobachten, während das überwältigende Infrarotglühen der Atmosphäre und des Instruments selbst unterdrückt wird.

Definition

Infrarot-Teleskope und Observatorien sind Einrichtungen, die für den Bereich von etwa 1 bis 300 Mikrometern optimiert sind, durch kalte Optiken, emissionsarmes Design, sorgfältige Standortwahl oder Weltraumplatzierung und Hintergrundsubtraktions-Techniken, die schwache astronomische Signale vom thermischen Rauschen isolieren.

Scope

Dieses Thema behandelt die atmosphärischen Fenster und Hintergründe, die bodengestützte Infrarotbeobachtungen einschränken, hochgelegene und trockene Bergstandorte, luftgestützte und Ballonplattformen, Infrarot-Weltraumobservatorien, die kryogene Kühlung von Optiken und Detektoren sowie Beobachtungstechniken wie Chopping und Nodding, die den hellen Hintergrund subtrahieren.

Core questions

• Warum ist der Infrarothimmel so viel heller als der optische Himmel?
• Wie werden atmosphärische Absorption und Emission durch Standort, Plattform oder Weltraumplatzierung gemindert?
• Warum müssen Infrarot-Teleskope und -Detektoren gekühlt werden?
• Welche Beobachtungstechniken subtrahieren den dominanten thermischen Hintergrund?

Key theories

Thermischer Hintergrund und Emissivität

Alles bei Raumtemperatur emittiert stark im Infrarot, sodass die Atmosphäre, das Teleskop und das Instrument einen großen Hintergrund abstrahlen, der astronomische Quellen überstrahlt und emissionsarme, gekühlte Designs erfordert.

Atmosphärische Fenster

Wasserdampf und andere Moleküle absorbieren die meisten Infrarotwellenlängen, sodass nur diskrete Fenster vom Boden aus zugänglich sind, was Beobachter zu trockenen Höhenlagen oder oberhalb der Atmosphäre treibt.

Chopping und Nodding

Durch schnelles Umschalten des Strahls zwischen Quelle und benachbartem Himmel mit dem Sekundärspiegel und anschließendes Bewegen des Teleskops subtrahieren Beobachter Bilder, um den langsam variierenden thermischen Hintergrund zu eliminieren.

Clinical relevance

Infrarotbeobachtungen enthüllen staubverhüllte Sternentstehungsgebiete, das kühle äußere Sonnensystem, Braune Zwerge und Exoplaneten sowie Galaxien mit hoher Rotverschiebung, deren Licht in den Infrarotbereich gedehnt wurde, wodurch diese Einrichtungen in der modernen Astrophysik unverzichtbar sind.

History

Herschel entdeckte die Infrarotstrahlung im Jahr 1800, doch eine empfindliche Infrarotastronomie wartete auf die Bolometer und gekühlten Detektoren, die ab den 1960er Jahren entwickelt wurden. Bodengestützte Durchmusterungen wichen Weltraumobservatorien wie IRAS, ISO, Spitzer und dem James Webb Space Telescope, neben luftgestützten Plattformen, die oberhalb des größten Teils des atmosphärischen Wasserdampfs fliegen.

Key figures

• William Herschel
• Frank Low
• Gerry Neugebauer

Seminal works

• glass1999
• rieke2003

Frequently asked questions

Warum werden Weltraumteleskope wie das JWST extrem kalt gehalten?

Ein warmes Teleskop leuchtet hell im Infrarot und würde schwache kosmische Signale überstrahlen. Indem das Teleskop vor der Sonne geschützt und auf wenige zehn Kelvin oder weniger gekühlt wird, wird seine eigene thermische Emission weit unter die Signale reduziert, die es zu detektieren versucht.

Kann Infrarotastronomie überhaupt vom Boden aus betrieben werden?

Ja, aber nur in schmalen atmosphärischen Fenstern und von hohen, trockenen Standorten aus, wo der Wasserdampfgehalt gering ist. Selbst dann ist der warme Himmel hell, sodass Beobachter auf Chopping und Nodding angewiesen sind, um den Hintergrund zu subtrahieren, und die anspruchsvollsten Infrarotarbeiten werden von luftgestützten oder Weltraumplattformen aus durchgeführt.