Infraroutastronomie

D'Infraroutastronomie ass een experimentellen Deelberäich vun der Astronomie. Dobäi gëtt déi vun astronomeschen Objeten ausgesent Infraroutstralung benotzt. Déi Stralung läit an engem Deel vum elektromagnéitesche Spektrum, dee vum mënschlechen A net ka gesi ginn.

Carinaniwwel, Foto vum Hubble-Weltraumteleskop

Observatiounsberäich

Den infraroude Stralungsberäich, och Wäermtstralung genannt, läit tëscht der optescher (Wellelängt < 700 nm) an dem Submillimeter-Beräich (> 300 μm) a gëtt an dräi Beräicher ënnerdeelt, dat

• Not Infrarout (zirka 700 nm–4 μm)
• Mëttel Infrarout (4–40 μm)
• Wäit Infrarout (40–300 μm),

woubäi déi genee Grenze souwuel vum Infraroutberäich wéi och d'Deelberäicher jee no Quell liicht variéieren. An der Astronomie ginn déi Beräicher weider a Wellelängtebänner ënnerdeelt, an deenen d'Atmosphär zimmlech transparent ass. Déi Bänner si mat Groussbuschtawe bezeechent no den Nimm vun den optesche Filteren, déi nëmme Stralung vun den entspriechende Wellelängte passéiere loossen: I (ëm 0,8 μm), z (ëm 0,9 μm), Y (ëm 1,0 μm), J (1,25 μm), H (1,65 μm), K (2,2 μm), L (3,45 μm), M (4,7 μm), N (10 μm) a Q (20 μm). Baussenzeg vun dëse Bänner ass Loft mat vill Waasserdamp praktesch onduerchsichteg.

Als Tabell:

Wellelängt an µm	Bezeechnung
0,65	R-Band
1,00	I-Band
1,25	J-Band
1,65	H-Band
2,20	K-Band
3,45	L-Band
4,70	M-Band
10	N-Band
20	Q-Band

Instrumentell Viraussetzungen

Eng Computeranimatioun vum Spitzer-Weltraumteleskop mat Infraroutduerstellung vun der Mëllechstrooss am Hannergrond

D'Wäermtstralung vun der Atmosphär, dem Teleskop, a vun den Instrumeter selwer, déi iwwer 2 µm ëmmer méi staark stéiert, markéiert zum groussen Deel d'Instrumentenentwécklung.

Plaze fir Teleskopen

Infraroutstralung gëtt vun der Atmosphär vun der Äerd ganz staark absorbéiert, besonnesch duerch den atmosphäresche Waasserdamp. Nëmmen ënner 1 μm an a klenge Fënstere bis ongeféier 40 μm ass eng Observatioun mat äerdgebonnenen Teleskope méiglech. Äerdgebonnen Infraroutteleskope ginn dofir favoriséiert op héijen an dréchene Plazen opgeriicht. Beispiller sinn de Mauna-Kea-Observatoire oder den Observatoire vun der ESO. Och d'Aisschëlter vun der Antarktis si wéinst hirer Héicht, Keelt an Dréchenheet vu groussem Interessi. Dacks gi grouss Teleskope souwuel fir optesch wéi och fir Infraroutobservatioune benotzt, et gëtt awer och e puer speziell fir Infraroutobservatiounen optiméiert Teleskopen.

Well mat grousser Héicht d'Absorptioun staark zeréckgeet, goufe schonn zanter den 1960er Joren Infraroutteleskopen a Ballonen déi ganz héich fléien an a ballistesche Héichtefuerschungsrakéite benotzt. Zanter den 1960er ginn och Fligeren op groussen Héichten, wéi de Lear Jet Observatory, de Kuiper Airborne Observatoire a SOFIA) agesat. Am Weltraum verschwënnt net nëmmen d'atmosphäresch Absorptioun, et gëtt och méiglech, kleng Teleskopen am Ganzen op ganz déif Temperaturen ze killen an domat hir stéierend Wäermtstralung z'ënnerbannen. Zanter den 1980er Jore ginn dofir ëmmer méi Weltraumteleskope fir den Infraroutberäich agesat; vu grousser Bedeitung waren den Infrared Astronomical Satellite (IRAS) an den Infrared Space Observatory (ISO). Géigenwärteg (2009) si Spitzer, ASTRO-F (Akari) an Herschel aktiv, an noer Zukunft soll den James Webb Space Telescope (JWST) gestart ginn.

Instrumenter

D'Instrumenter vun der Infraroutastronomie gläichen an der Konzeptioun de Kameraen a Spektrographe vun der visueller Astronomie. Allerdéngs musse si staark gekillt ginn. Meeschtens déngen dozou gekillt Kryostate mat flëssegem Stéckstoff oder Helium oder mechanesch Killapparaten. Dat am Infraroutberäich z. B. fir Lënse gebraucht optescht Material ënnerscheet sech allerdéngs vun deem dat fir visuellt Liicht gebraucht gëtt.

An engem Choppen genannte Virgank, wiesselen Infraroutinstrumenter reegelméisseg d'Observatiounsrichtung tëscht dem ënnersichten Objet an enger Nopeschhimmelspositioun. Duerch Subtraktioun vun de gemoossene Signaler an den zwou Positioune kann d'Quell besser vum Hannergrond ofgehuewe ginn.

Zanter den 1990er Joren ass fir Observatiounen am noen Infrarout den Asaz vun der adaptiver Optik fir d'Korrektur vun der Loftonrou (Seeing) méiglech. Domat erreeche grouss äerdgebonnen Teleskopen hir voll Diffraktiounsbegrenzt Opléisung a kënnen an där Hisiicht mat dem Hubble Space Telescope konkurréieren.

Detekteren

Iwwer de wäite Wellelängteberäich vun der Infraroutastronomie komme vill Aarte vun Detekteren zum Asaz. Bis zu ongeféier 1 μm Wellelängte sinn normal, an och an der visueller Astronomie gebräichlech CCD-Detekteren empfindlech. Fir gréisser Wellelängte gi speziell Detektere gebraucht.

Der Opstiig vun der Infrarotastronomie huet nom Zweete Weltkrich mat Detekteren aus Bläisulfid (PbS) ugefaangen. Haut gi besonnesch fir dat not Infrarout Detekteren, aus Hallefleedermaterialie wéi Indiumantimonid InSb an Quecksëlwercadmiumtellurid (Hg,Cd)Te, gebraucht, déi nom Prinzip vun der Fotodiod funktionéieren. Detekteren aus dotéiertem Silizium (z. B. Si:Ga) a Germanium (z. B. Ge:Ga), déi nom Prinzip vum Fotowiderstand schaffen, fanne bei laange Wellelängten Uwendung. Donieft ginn, haut besonnesch bei de längste Wellelängten, thermesch Detekteren (Bolometer) agesat. Déi weisen déi duerch d'Stralung verursaacht Eenergie am Detekter no.

Extrae vun der Infrarotastronomie

Duerchdrénge vun interstellarem Stëbs

Den Andromedaniwwel am infraroudem Liicht bei 24 μm

D'Ofschwächung (Extinktioun) vun elektromagnéitescher Stralung duerch den interstellare Stëbs variéiert staark mat der Wellelängt. Bei 2 µm an noen Infrarout ass si géiniwwer dem visuelle Liicht schonn op ongeféier 1/10 zeréckgaangen. Domat ass et méiglech Gebidder hanner dem Stëbs z'observéieren, z. B. jonk Stären, de galakteschen Zentrum an den Zentrum vun Infraroutgalaxien.

Observatioun vu kalen Objeten

Nom Stralungsgesetz vum Planck stralen kal Himmelskierper wéi z. B. Brong Zwergen oder nach déif a Moleküllwolleken agebett Stären haaptsächlech am Infrarout. Am interstellare Medium hu vill an heefeg Atomer, Ionen a Molekülle wichteg Stralungsiwwergäng am Infrarout. Besonnesch ubruecht ass d'Infraroutspektroskopie fir d'Bestëmmung vun der Zesummesetzung an de physikalesche Bedingunge vu Gas mat Temperature vun e puer honnert Kelvin. Kale (< 100 Kelvin) Stëbs am interstellare Medium straalt dat absorbéiert Liicht am wäiten Infrarout nees of, an ass dacks e grousse Bäitrag an der Energiebilanz vun astronomeschen Objeten. Am mëttleren Infrarout gëtt et staark Emissioune vun organesche Verbindungen am interstellare Medium, déi mat polyzykleschen aromatesche Kuelenwaasserstoffer aartegläich sinn.

Observatioune bei héijer Routverrécklung

Duerch déi kosmesch Routverrécklung gëtt dat vu Galaxien am fréien Universum ausgebreet visuellt oder UV-Liicht op der Äerd am noen Infrarout observéiert. Dat ass z. B. entscheedend fir d'Ausleeung vum James Webb Space Telescope.

Observatiounsobjeten a wëssenschaftlech Ziler

Am Sonnesystem

Planéite, Mounde, Koméiten an Asteroiden an eisem Sonnesystem ginn intensiv am Infrarout observéiert. Vun IRAS goufen z. B. e puer nei Asteroiden a Koméite souwéi dräi Stëbsbänner am Beräich vun der Asteroidenceinture entdeckt, déi méiglecherweis duerch Kollisiounen an der Asteroidenceinture entstane sinn. En neit Zil sinn Eegenschafte vun transneptuneschen Objete vun der Kuiperceinture an der Oort-Wollek.

An der Mëllechstrooss

Vill Infraroutobservatiounen an der Mëllechstrooss zilen op e Verstoe vun der Stäregenesis. Groussflächegt Sichen no jonke Stären an allen Entwécklungsstadie an no Bronge Zwerge gi kombinéiert mat héichopgeléiste Liichtbiller a mat Spektroskopie. Zirkumstellar Stëbsscheiwen erginn éischt Unzeeche fir d'Genesis an d'Entwécklung vu Planéitesystemer ëm aner Stären. Am Galakteschen Zentrum gëtt am Infrarout d'Ëmgéigend vum nächste supermasseräiche schwaarze Lachs ënnersicht. Entwéckelt Stären an hire Massenauswurf sinn e weidert Zil vun der Infraroutastronomie an eiser Mëllechstrooss.

Infraroutspektroskopie dengt den Zoustandënnersich an der cheemescher Zesummesetzung vum interstellare Medium. Vum IRAS gouf och eng diffus Infraroutstralung a filamentaarteg Stëbswolleken entdeckt, déi sech bis an héich galaktesch Breede ausdehnen.

Baussenzeg vun eiser Mëllechstrooss

Infraroutgalaxie stralen am Géigesaz vun der Mëllechstrooss an de meeschten anere Galaxië bis zu 99 % vun hirer ganzer Liichtkraaft am wäiten Infrarout of. Wiesselwierkunge an Zesummestéiss mat annere Galaxië droen zu hirer Existenz bäi. D'Infraroutastronomie ënnersicht Stäregenesis, Starbursts an aktiv Galaxiekären.

D'Entwécklung vu Galaxien am fréien Universum gëtt ëmmer méi intensiv am Infrarout studéiert. Am noen Infrarout gëtt dat routverréckelt Liicht vun de Stäre vun dëse Galaxien observéiert, am wäiten Infrarout- a Submillimeterberäich dee vum Stëbs verschléckt an nees ofgestraalten Undeel.

Geschichtlech Entwécklung an Ausbléck

Nodeem de William Herschel 1800 d'Infraroutstralung vun der Sonn entdeckt hat, konnt de Charles Piazzi Smyth 1856 éischtmols eng infrarout Komponent am Spektrum vum Moundliicht noweisen. De William Coblentz konnt vun 1915 un, Infraroutstralung vun 110 Stären noweisen a gëllt als ee vun de Grënner vun der IR-Spektroskopie. Dës fréier Miessunge goufe meeschtens mat Bolometer oder Thermoelementer gewonnen.

An den 1950er hunn Bläisulfid (PbS)-Detekteren en Emfindlechkeetsspronk am noen Infrarout gemaach. Wéi och bei ville spéidere Detekterentwécklunge fir dat not a mëttel Infrarout huet d'Astronomie hei vum militäreschen Interesse un emfindlechen Detektersystemer profitéiert z. B. un der Verfollegung vu Fligeren a Rakéiten. Géint 1960 entwéckelen den Harold L. Johnson a seng Mataarbechter dat éischt fotometrescht System fir den Infrarout. 1963 goufe mat den éischte Ballonmissioune Infraroutobservatioune vum Mars duerchgefouert a schonn 1967 goufe mat enger Serie vu Rakéiteflich déi éischt Kartéierung vum ganzen Himmel am mëttleren Infrarout duerchgefouert. Heibäi gouf bei enger Totalobservatiounszäit vun nëmmen 30 Minutte méi wéi 2000 Infraroutquellen entdeckt. Am gläiche Joer gouf och de Mauna-Kea-Observatoire gegrënnt, deen och haut nach déi gréisste Infraroutteleskope besëtzt. Ufanks der 1970er Jore gouf e militäreschen C-141A Transportjet als Infraroutteleskop ëmgebaut, dat vun 1974 un als Kuiper Airborne Observatoire (KAO) Observatiounen a 14 km Héicht duerchgefuert huet.

Den Duerchbroch vun der Infraroutastronomie koum an den 1980er mat den éischte Satellittemissiounen. 1983 duerchmustert IRAS den Himmel. 1989 gouf COBE gestart an entdeckt d'Anisotropie vun der kosmescher Hannergrondstralung. 1995 koum mat dem Infrared Space Observatory (ISO) dat éischt echt Weltraumobservatoire fir den Infrarout mat Kamera, Photometer a Spektrometer an de Weltraum. 1997 koum d'Oprëschtung vum Hubble-Weltraumteleskop mat dem Infraroutinstrument NICMOS, 2003 gouf d'Spitzer-Weltraumteleskop gestart. 2009 sinn d'Missioune Planck, Herschel a WISE gestart ginn.

D'Entwécklung vun der Infraroutastronomie geet am Moment haaptsächlech an zwou Richtunge:

• Observatioune mat héichster raimlecher Opléisung vum Buedem, ënner Notzung vun adaptiver Optik oder der Interferometrie wéi am Very Large Telescope Interferometer (VLTI). Geplangt Risenteleskope wéi d'European Extremely Large Telescope sinn ouni adaptiv Optik net méiglech.
• Weider Vergréisserung vun der Emfindlechkeet vu Fliger- a Satellittenteleskopen. An der Bauphas sinn de Fligerobservatoire SOFIA an d'Weltraumteleskop James Webb Space Telescope. Fir déi weider Zukunft ginn diskutéiert: TPF (NASA) resp. Darwin (ESA), mat deene fir d'éischt déi direkt Observatioun exosolarer Planéite méiglech gemaach ka ginn.

E puer Himmelsduerchmusterungen am Infrarout

Bezeechnung	Joer	Wellelängt	Bemierkungen
AFGRL Infrared Sky Survey	1967	4–20 µm	Katalog mat 2363 Quellen
Two Micron Sky Survey (TMSS)	1968	2,2 µm	70 % vum Himmel, iwwer 5500 Quellen
Infrared Astronomical Satellite (IRAS)	1983	12–100 µm	96 % vum Himmel, iwwer 300000 Quellen
Cosmic Background Explorer COBE	1989	1,25–240 µm	ganz prezis Spektroskopie bei klenger raimlecher Opléisung
Two Micron All Sky Survey (2MASS)	1997–2001	1,25–2,17 µm	ganzen Himmel, zirka 500 Millioune Quellen

Bis elo gestarte Infrarout-Weltraumteleskope

Bezeechnung	Joer
Infrared Astronomical Satellite (IRAS)	1983
Spacelab 2 Infrared Telescope	1985
Infrared Space Observatory (ISO)	1995–1998
Infrared Telescope in Space (IRTS)	1995
Midcourse Space Experiment (MSX)	1996
Wide Field Infrared Explorer (WIRE)	1999
Spitzer-Weltraumteleskop (SST)	zanter 2003
Akari (ASTRO-F)	zanter 2006
Herschel-Weltraumteleskop (HSO)	zanter 2009
Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE)	zanter 2009

Kuckt och

Portal Astronomie

• Stratosphärenobservatoire fir Infraroutastronomie

Literatur

• Ian Glass: Handbook of Infrared Astronomy. Cambridge University Press, Cambridge 1999, ISBN 0-521-63311-7 (Technische Grundlagen).
• Ian S. McLean: Infrared astronomy with arrays - the next generation. Kluwer, Dordrecht 1994, ISBN 0-7923-2778-0
• Rudolf A. Hanel: Exploration of the solar system by infrared remote sensing. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2003, ISBN 0-521-81897-4
• Thorsten Dambeck: In neuem Licht: Geburt und Tod der Sterne. Bild der Wissenschaft, 10/2008, S. 46 - 52
• Sascha Trippe: Ten thousand stars and one black hole - a study of the galactic center in the near infrared. Harland Media, Lichtenberg 2008, ISBN 978-3-938363-22-5

Um Spaweck

• Deutsches SOFIA Inst., Grundlagen Infrarotastronomie: [1]
• (en) Infrared Astronomy Tutorial
• The Multiwavelength Astronomy Gallery [2]
• Infrared Processing and Analysis Center - science and data center for infrared astronomy