กล้องโทรทรรศน์และหอดูดาวอินฟราเรด

กล้องโทรทรรศน์และหอดูดาวอินฟราเรดถูกสร้างขึ้นเพื่อสังเกตการณ์การแผ่รังสีความร้อนจากวัตถุที่เย็น มีฝุ่น และอยู่ไกล ในขณะที่ต้องลดการรบกวนจากแสงอินฟราเรดจำนวนมหาศาลจากชั้นบรรยากาศและจากตัวเครื่องมือเอง

Definition

กล้องโทรทรรศน์และหอดูดาวอินฟราเรดเป็นสิ่งอำนวยความสะดวกที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมสำหรับการสังเกตการณ์ในช่วงประมาณ 1 ถึง 300 ไมโครเมตร ผ่านเลนส์ที่เย็น, การออกแบบที่มีการแผ่รังสีต่ำ, การเลือกสถานที่อย่างระมัดระวังหรือการวางตำแหน่งในอวกาศ, และเทคนิคการลบพื้นหลังที่แยกสัญญาณทางดาราศาสตร์ที่จางมากออกจากสัญญาณรบกวนทางความร้อน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงช่องว่างบรรยากาศและพื้นหลังที่เป็นข้อจำกัดในการสังเกตการณ์อินฟราเรดจากพื้นโลก, สถานที่บนภูเขาสูงและแห้ง, แพลตฟอร์มทางอากาศและบอลลูน, หอดูดาวอินฟราเรดในอวกาศ, การทำความเย็นแบบไครโอเจนิกสำหรับเลนส์และเครื่องตรวจจับ, และเทคนิคการสังเกตการณ์ เช่น การสับเปลี่ยน (chopping) และการพยักหน้า (nodding) เพื่อลบพื้นหลังที่สว่างจ้าออกไป

Core questions

• เหตุใดท้องฟ้าอินฟราเรดจึงสว่างกว่าท้องฟ้าที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่ามากนัก?
• การดูดกลืนและการปล่อยรังสีของชั้นบรรยากาศถูกลดทอนลงได้อย่างไรด้วยการเลือกสถานที่, แพลตฟอร์ม หรือการวางตำแหน่งในอวกาศ?
• เหตุใดกล้องโทรทรรศน์และเครื่องตรวจจับอินฟราเรดจึงต้องถูกทำให้เย็น?
• เทคนิคการสังเกตการณ์ใดบ้างที่ใช้ในการลบพื้นหลังความร้อนที่โดดเด่นออกไป?

Key theories

พื้นหลังความร้อนและการแผ่รังสี

ทุกสิ่งที่มีอุณหภูมิห้องจะแผ่รังสีอินฟราเรดออกมาอย่างรุนแรง ดังนั้น ชั้นบรรยากาศ, กล้องโทรทรรศน์ และเครื่องมือจึงแผ่รังสีพื้นหลังขนาดใหญ่ที่บดบังแหล่งกำเนิดทางดาราศาสตร์ และบังคับให้ต้องมีการออกแบบที่แผ่รังสีต่ำและมีการทำความเย็น

ช่องว่างบรรยากาศ

ไอน้ำและโมเลกุลอื่นๆ ดูดกลืนคลื่นอินฟราเรดส่วนใหญ่ เหลือเพียงช่องว่างที่แยกจากกันซึ่งสามารถเข้าถึงได้จากพื้นดิน ซึ่งผลักดันให้นักสังเกตการณ์ต้องไปยังสถานที่สูงและแห้งแล้ง หรืออยู่เหนือชั้นบรรยากาศ

การสับเปลี่ยนและการพยักหน้า

ด้วยการสลับลำแสงระหว่างแหล่งกำเนิดและท้องฟ้าที่อยู่ใกล้เคียงอย่างรวดเร็วด้วยกระจกทุติยภูมิ จากนั้นจึงเคลื่อนย้ายกล้องโทรทรรศน์ นักสังเกตการณ์จะทำการหาผลต่างของเฟรมเพื่อยกเลิกพื้นหลังความร้อนที่เปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ

Clinical relevance

การสังเกตการณ์อินฟราเรดเผยให้เห็นบริเวณก่อกำเนิดดาวที่ซ่อนอยู่ใต้ฝุ่น, ระบบสุริยะชั้นนอกที่เย็น, ดาวแคระน้ำตาลและดาวเคราะห์นอกระบบ, และกาแล็กซีที่มีการเลื่อนแดงสูงซึ่งแสงของพวกมันถูกยืดออกไปในช่วงอินฟราเรด ทำให้สิ่งอำนวยความสะดวกเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในสาขาดาราศาสตร์ฟิสิกส์สมัยใหม่

History

เฮอร์เชลค้นพบรังสีอินฟราเรดในปี ค.ศ. 1800 แต่ดาราศาสตร์อินฟราเรดที่ละเอียดอ่อนต้องรอการพัฒนาโบโลมิเตอร์และเครื่องตรวจจับแบบเย็นที่พัฒนาขึ้นตั้งแต่ทศวรรษ 1960 การสำรวจจากพื้นโลกได้นำไปสู่หอดูดาวในอวกาศ เช่น IRAS, ISO, Spitzer และกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ควบคู่ไปกับแพลตฟอร์มทางอากาศที่บินอยู่เหนือไอน้ำในชั้นบรรยากาศส่วนใหญ่

Key figures

• William Herschel
• Frank Low
• Gerry Neugebauer

Seminal works

• glass1999
• rieke2003

Frequently asked questions

เหตุใดกล้องโทรทรรศน์อวกาศอย่าง JWST จึงต้องถูกรักษาให้เย็นจัด?

กล้องโทรทรรศน์ที่อุ่นจะเรืองแสงจ้าในย่านอินฟราเรดและจะบดบังสัญญาณจักรวาลที่จางมาก การป้องกันกล้องโทรทรรศน์จากดวงอาทิตย์และทำให้เย็นลงเหลือเพียงไม่กี่สิบเคลวินหรือน้อยกว่านั้น จะช่วยลดการแผ่รังสีความร้อนของตัวมันเองลงได้มาก ซึ่งต่ำกว่าสัญญาณที่พยายามตรวจจับ

สามารถทำการสำรวจดาราศาสตร์อินฟราเรดจากพื้นดินได้หรือไม่?

ได้ แต่ทำได้เฉพาะในช่องว่างบรรยากาศที่แคบและจากสถานที่สูงและแห้งแล้งซึ่งมีไอน้ำน้อย แม้กระนั้นท้องฟ้าที่อุ่นก็ยังคงสว่างจ้า ดังนั้นนักสังเกตการณ์จึงต้องพึ่งพาเทคนิคการสับเปลี่ยนและการพยักหน้าเพื่อลบพื้นหลังออกไป และงานอินฟราเรดที่ต้องการความแม่นยำสูงสุดจะดำเนินการจากแพลตฟอร์มทางอากาศหรือในอวกาศ