Kính thiên văn và Đài quan sát hồng ngoại

Kính thiên văn và đài quan sát hồng ngoại được chế tạo để quan sát bức xạ nhiệt từ các vật thể lạnh, bụi bặm và ở xa, đồng thời triệt tiêu ánh sáng hồng ngoại áp đảo của khí quyển và chính thiết bị.

Definition

Kính thiên văn và đài quan sát hồng ngoại là các cơ sở được tối ưu hóa cho dải bước sóng khoảng 1 đến 300 micron thông qua quang học lạnh, thiết kế phát xạ thấp, lựa chọn địa điểm cẩn thận hoặc đặt trong không gian, và các kỹ thuật trừ nền để cô lập các tín hiệu thiên văn yếu khỏi nhiễu nhiệt.

Scope

Chủ đề này bao gồm các cửa sổ khí quyển và nền tảng hạn chế quan sát hồng ngoại từ mặt đất, các địa điểm núi cao và khô ráo, các nền tảng trên không và khinh khí cầu, các đài quan sát hồng ngoại không gian, làm lạnh quang học và đầu dò bằng phương pháp đông lạnh, và các kỹ thuật quan sát như cắt và lắc (chopping and nodding) để loại bỏ nền sáng.

Core questions

• Tại sao bầu trời hồng ngoại lại sáng hơn nhiều so với bầu trời quang học?
• Sự hấp thụ và phát xạ của khí quyển được giảm thiểu như thế nào bằng cách chọn địa điểm, nền tảng hoặc vị trí trong không gian?
• Tại sao kính thiên văn và đầu dò hồng ngoại phải được làm mát?
• Những kỹ thuật quan sát nào giúp loại bỏ nền nhiệt chủ đạo?

Key theories

Nền nhiệt và độ phát xạ

Mọi thứ ở nhiệt độ phòng đều phát xạ mạnh trong dải hồng ngoại, vì vậy khí quyển, kính thiên văn và thiết bị phát ra một nền lớn làm lu mờ các nguồn thiên văn và buộc phải có thiết kế phát xạ thấp, làm mát.

Các cửa sổ khí quyển

Hơi nước và các phân tử khác hấp thụ hầu hết các bước sóng hồng ngoại, chỉ để lại các cửa sổ riêng biệt có thể tiếp cận được từ mặt đất, điều này thúc đẩy các nhà quan sát đến các địa điểm khô ráo ở độ cao lớn hoặc phía trên khí quyển.

Cắt và lắc (Chopping and nodding)

Bằng cách nhanh chóng chuyển chùm tia giữa nguồn và bầu trời liền kề bằng gương thứ cấp và sau đó di chuyển kính thiên văn, các nhà quan sát tạo ra các khung hình khác biệt để loại bỏ nền nhiệt thay đổi chậm.

Clinical relevance

Quan sát hồng ngoại cho thấy các vùng hình thành sao bị che khuất bởi bụi, hệ mặt trời bên ngoài lạnh giá, các sao lùn nâu và ngoại hành tinh, và các thiên hà dịch chuyển đỏ cao có ánh sáng đã bị kéo dài vào dải hồng ngoại, làm cho các cơ sở này trở nên thiết yếu trong vật lý thiên văn hiện đại.

History

Herschel đã phát hiện ra bức xạ hồng ngoại vào năm 1800, nhưng thiên văn học hồng ngoại nhạy cảm phải chờ đợi các máy đo bức xạ (bolometer) và đầu dò làm mát được phát triển từ những năm 1960. Các cuộc khảo sát trên mặt đất đã nhường chỗ cho các đài quan sát không gian như IRAS, ISO, Spitzer và Kính viễn vọng Không gian James Webb, cùng với các nền tảng trên không bay phía trên hầu hết hơi nước trong khí quyển.

Key figures

• William Herschel
• Frank Low
• Gerry Neugebauer

Seminal works

• glass1999
• rieke2003

Frequently asked questions

Tại sao các kính thiên văn không gian như JWST được giữ cực kỳ lạnh?

Một kính thiên văn ấm sẽ phát sáng rực rỡ trong dải hồng ngoại và sẽ làm lu mờ các tín hiệu vũ trụ yếu ớt. Bằng cách che chắn kính thiên văn khỏi Mặt Trời và làm lạnh nó xuống vài chục kelvin hoặc ít hơn, sự phát xạ nhiệt của chính nó sẽ giảm xuống dưới mức tín hiệu mà nó đang cố gắng phát hiện.

Thiên văn học hồng ngoại có thể được thực hiện từ mặt đất không?

Có, nhưng chỉ trong các cửa sổ khí quyển hẹp và từ các địa điểm cao, khô ráo nơi hơi nước thấp. Ngay cả khi đó bầu trời ấm vẫn sáng, vì vậy các nhà quan sát dựa vào kỹ thuật cắt và lắc để loại bỏ nền, và công việc hồng ngoại đòi hỏi khắt khe nhất được thực hiện từ các nền tảng trên không hoặc trong không gian.