5. 적외선 천문학

적외선 천문학

적외선 천문학은 적외선(IR) 방사를 이용한 천체의 관측과 분석을 전문으로 하는 천문학의 하위 분야다.

적외선 천문학
적외선 천문학

적외선 파장은 0.75300마이크로미터로 380750나노미터의 가시광선과 밀리미터 이하의 파도 사이에 있다. 적외선 천문학은 1800년 윌리엄 허셜이 적외선을 발견한 지 수십 년 후인 1830년대에 시작되었습니다. 초기 진전은 제한적이었고, 20세기 초가 되어서야 해와 달 이외의 천체가 적외선에서 결정적으로 검출되었습니다. 1950년대와 1960년대에 전파 천문학에서 많은 발견이 이루어진 후 천문학자들은 가시 파장 범위 밖에서 이용할 수 있는 정보를 인식하여 현대 적외선 천문학이 확립되었습니다. 적외선과 광학 천문학은 종종 같은 망원경을 사용하여 연습 됩니다. 왜냐하면 같은 거울이나 렌즈가 일반적으로 가시광과 적외선을 모두 포함하는 파장 범위에 걸쳐 유효하기 때문입니다. 두 필드 모두 견고한 스테이트 검출기를 사용하지만 광검출기의 유형은 다릅니다. 적외선은 지구 대기 중 수증기에 의해 많은 파장에서 흡수되기 때문에 대부분의 적외선 망원경은 건조한 장소, 가능한 한 대기권을 넘는 고고도에 있습니다. 스피처 우주 망원경, 허셜 우주 천문대, 그리고 최근에는 제임스 웹 우주 망원경을 포함한 적외선 관측소도 존재하고 있습니다.

적외선 천문학의 역사

적외선 발견은 1800년 온도계가 프리즘을 통과한 후 다양한 색상의 태양광에 배치된 실험을 한 윌리엄 허셜에 의한 것으로 보입니다. 그는 태양광에 의해 야기되는 온도 상승이 가시 스펙트럼 밖에서 가장 높고 빨간색을 약간 넘는다는 것을 깨달았습니다. 온도 상승이 적외선 파장에서 가장 높았던 것은 태양의 성질이 아닌 프리즘 스펙트럼 응답에 의한 것이었지만 온도 상승이 있었다는 사실은 허셜에게 태양에서 보이지 않는 방사선이 있다고 추측하게 하는 계기가 되었습니다. 그는 이 방사선을 ‘열광에선’이라고 부르며 가시광처럼 반사, 투과, 흡수할 수 있음을 보여주었습니다. 1830년대부터 19세기에 걸쳐 다른 천체로부터의 적외선을 검출하는 대처가 계속되었습니다. 달에서 온 방사선은 1856년 스코틀랜드 왕립 천문학자 찰스 피아치 스미스가 테네리페 탐험 중 처음으로 검출했습니다. Arcturus와 Vega로부터의 적외선을 검출하기 위해 Ernest Fox Nichols는 수정된 Crookes 방사계를 사용했지만 그 결과가 결론이 아니라고 생각했습니다. 그럼에도 두 별에 대해 그가 보고한 플럭스의 비율은 현대적 가치와 일치하기 때문에 조지 이렇게는 니콜스에게 적외선에서 우리 자신 이외의 별을 처음 발견했음을 인정하고 있습니다. 적외선 천문학 분야는 20세기 초에 천천히 발전했고 세서 버즈 니컬슨과 에디슨 페이트는 정확한 적외선 측광이 가능해 수백 개의 별에 민감한 열량 검출기를 개발했습니다. 이 분야는 1960년대까지 전통적인 천문학자들에 의해 대부분 무시되었고 적외선 천문학을 실천한 대부분의 과학자는 실제로 물리학자들이었습니다. 1950년대와 1960년대에 걸친 전파 천문학의 성공은 적외선 검출 기술의 향상과 맞물려 더 많은 천문학자가 주목하게 되었고 적외선 천문학은 천문학의 하위 분야로 확립되었습니다. 적외선 우주 망원경이 실용화되었습니다. 1983년 IRAS는 전공 탐사를 실시했습니다. 1995년 유럽 우주 기관은 적외선 우주 관측소를 설립했습니다. 1998년 액체 헬륨이 고갈되기 전에 이 위성은 우주(토성이나 천왕성에서도)에서 프로토스 타와 물을 발견했습니다. 2003년 8월 25일 NASA는 스피처 우주망원경(Spizer Space Telescope Facility)을 발사했습니다. 2009년 망원경은 액체 헬륨을 다 써버려 원적외선을 볼 수 있는 능력을 잃었습니다. 그것은 별, 이중 나선 성운, 그리고 태양계 외 행성에서의 빛을 발견했습니다. 3.6과 4.5마이크로미터 밴드에서 활동을 계속했습니다. 그 이후로 다른 적외선 망원경은 형성되어 있는 새로운 별, 성운, 항성 어린이집을 찾는 데 도움이 되었습니다. 적외선 망원경은 우리를 위해 은하의 완전히 새로운 부분을 열었습니다. 그것들은 퀘이사와 같은 매우 먼 것을 관찰하는 데도 도움이 됩니다. 퀘이사는 지구에서 멀어집니다. 결과적으로 발생하는 큰 적색편이는 광학 망원경으로 그것들을 어려운 표적으로 만듭니다. 적외선 망원경은 그것들에 대한 더 많은 정보를 제공합니다. 2008년 5월, 국제적인 적외선 천문학자 그룹이 은하 간 먼지가 멀리 떨어진 은하의 빛을 매우 어둡게 만든다는 것을 증명했습니다. 실제로 은하는 외형의 거의 2배 밝기입니다. 먼지는 가시광의 대부분을 흡수하고 적외선으로 재발광합니다.

현대 적외선 천문학

근적외선으로 알려진 가시광보다 약간 긴 파장을 가진 적외선은 가시광과 매우 유사한 방식으로 작동하며 유사한 고체 디바이스를 사용하여 검출할 수 있습니다(이 때문에 많은 퀘이사, 별, 은하가 발견되었습니다). 따라서 스펙트럼의 근적외선 영역은 근 자외선과 함께 ‘광학’ 스펙트럼의 일부로서 일반적으로 통합됩니다. 케크 천문대와 같은 많은 광학 망원경은 가시 파장뿐만 아니라 근적외선에서도 효과적으로 작동합니다. 원적외선은 밀리미터 이하 파장까지 퍼져 마우나케아 천문대의 제임스 클라크 맥스웰 망원경 등 망원경으로 관측됩니다. 다른 모든 형태의 전자방사와 마찬가지로 적외선은 천문학자들에 의해 우주를 연구하기 위해 이용되고 있습니다. 실제로 2M ASS와 WISE의 천문학적 조사를 통해 수행된 적외선 측정은 지금까지 발견되지 않았던 성단을 밝히는 데 특히 효과적입니다. 이러한 내장 성단의 예로는 FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30 및 Majaess 99가 있습니다. 대부분의 주요 광학 망원경과 몇몇 전용 적외선 망원경을 포함한 적외선 망원경은 액체 질소로 냉각하여 따뜻한 물체로부터 보호해야 합니다. 그 이유는 수백 켈빈의 온도를 가진 물체가 적외선 파장에서 열에너지의 대부분을 방출하기 때문입니다. 적외선 검출기를 냉각하지 않은 경우 검출기 자체의 방사선은 모든 천원으로부터의 방사선보다 작아지는 노이즈를 발생시킬 수 있습니다. 이것은 스펙트럼의 중적외선 및 원적외선 영역에서 특히 중요합니다. 더 높은 각도 분해능을 실현하기 위해 몇 개의 적외선 망원경이 조합되어 천문 간섭계를 형성합니다. 간섭계의 유효 해상도는 개별 망원경 크기가 아니라 망원경 간의 거리에 따라 설정됩니다. 적응광학과 함께 사용하면 케크 천문대의 10m 망원경 2대와 초대형 망원경 간섭계를 구성하는 8.2m 망원경 4대 등 적외선 간섭계가 높은 각도 분해능을 달성할 수 있습니다. 지상 망원경으로부터의 적외선 감도의 주요 제한은 지구 대기입니다. 수증기는 상당한 양의 적외선을 흡수하고 대기 자체가 적외선 파장으로 방출됩니다. 따라서 대부분의 적외선 망원경은 고도가 매우 건조한 곳에 설치되어 대기 중 수증기의 대부분보다 높습니다. 지구상에 적합한 곳으로는 해발 4205m의 마우나케아 천문대, 칠레의 2635m의 파라나를 천문대, 남극의 돔 C 등 고고도 얼음 사막 지역이 있습니다. 고도가 높아도 적외선 창이나 지구 대기가 투명한 파장을 제외하면 지구 대기의 투명성은 제한됩니다. 메인 적외선 창은 다음과 같습니다:가시광 망원경의 경우와 마찬가지로 적외선 망원경에는 공간이 이상적입니다. 우주 망원경은 지구 대기에 의해 흐려짐이나 적외선 흡수가 없기 때문에 더 높은 해상도를 달성할 수 있습니다. 현재 우주에 있는 적외선 망원경으로는 허셜 우주 천문대, 스피처 우주 망원경, 광시야 적외선 탐사 탐험가, 제임스 웹 우주 망원경 등이 있습니다. 망원경을 궤도에 올리는 것은 비용이 많이 들기 때문에 적외선 천문대나 카이퍼 공중 관측소 등 공중 관측소도 있습니다. 이 관측소들은 대기의 대부분을 날지만 아닙니다. 대기 중의 수증기는 우주에서 적외선을 흡수합니다.

적외선 기술

연구 망원경에서 사용되는 가장 일반적인 적외선 검출기 어레이 중 하나는 Hg CdTe 어레이입니다. 이것들은 0.6~5마이크로미터 파장 사이에서 잘 작동합니다. 더 긴 파장 관측이나 더 높은 감도를 위해 다른 검출기를 사용할 수 있으며, 다른 좁은 갭 반도체 검출기, 저온 볼로미터 어레이 또는 광자 계수 초전도 터널 접합 어레이를 포함합니다. 적외선 천문학의 특별한 요건에는 적분 시간이 긴 매우 낮은 암전류, 관련된 저소음 판독 회로 및 매우 높은 픽셀 수가 포함됩니다. 저온은 종종 냉각제에 의해 달성되며, 그것은 고갈될 가능성이 있습니다. 우주 임무는 냉각수 공급이 고갈되었을 때 종료되거나 ‘따뜻한’ 관측으로 이행되었습니다. 예를 들어, WISE는 발매로부터 약 10개월 후인 2010년 10월에 냉각재를 다 써버렸습니다. (NICMOS 스피처 우주망원경도 참조)

천문대

우주 관측소

많은 우주망원경은 적외선 파장 범위와 적어도 어느 정도 겹치는 파장 범위에서 전자방사를 검출합니다. 따라서 어떤 우주 망원경이 적외선 망원경인지 정의하기는 어렵습니다. 여기서 ‘적외선 우주망원경’의 정의는 적외선을 검출하는 것을 주된 임무로 하는 우주망원경이라고 생각됩니다. 적외선 우주 망원경 8기가 우주에서 운용되고 있습니다. 다음과 같습니다: 적외선 천문위성(IRAS)은 1983년(10개월)에 운용되었습니다. 미국(NASA), 영국, 네덜란드의 공동 미션입니다. 적외선 우주 관측소(ISO)는, 1995년부터 1998년에 걸쳐 운용된 ESA 미션입니다. 미국 드라마 코스 우주 실험(MSX)은, 1996년부터 1997년에 걸쳐 BMDO 미션으로 운용되고 있습니다. 스피처 우주 망원경, 2003~2020년에 운용, NASA 미션입니다. 아빠 카드리, 2006~2011년에 JAXA 미션을 실시했습니다. 허셜 우주 관측소는 2009~2013년 ESA 미션을 운영하고 있습니다. Wide-field Infra Survey Explorer(WISE)는, 2009년에 NASA의 미션으로 운용되었습니다. 제임스 웹 우주 망원경(JWST)은 2022년 NASA의 임무를 수행했습니다. [15] 유클리드 망원경 2023년 – ESA 미션을 운용합니다. 게다가 SPHERE는 2025년에 발사 예정인 망원경입니다. [16] NASA는 또 원래 와이드필드 적외선 우주망원경(WFIRST)으로 알려졌던 낸시 그레이스로만 우주망원경(NGRST)을 2027년 발사할 예정입니다. [17] 다른 많은 소형 우주 발사체나 적외선 검출기가 우주에서 작동하고 있습니다. 여기에는 우주왕복선과 함께 비행한 적외선 망원경(IRT)도 포함됩니다. 서브 밀리미터파 천문위성(SWAS)은 서브밀리미터 위성이지만 적외선 위성으로 언급될 수 있습니다.

우주 망원경의 적외선 기기

많은 우주 망원경에서 적외선 관측이 가능한 기기는 일부뿐입니다. 다음은 이러한 우주 관측소와 계측기 중에서 가장 주목해야 할 몇 가지 목록입니다: 우주 배경 탐사기(COBE) 위성 (1989-1993) 확산 적외선 배경 실험 (DIRBE) 허블 우주 망원경 (1990-) 근적외선 카메라 및 다문 체 분광계 (NICMOS) 기기 (1997-1999, 2002-2008) 허블우주망원경 와이드 필드 카메라 3(WFC3) 카메라(2009-)는 적외선을 관측합니다.

공중 관측소

3개의 비행기 기반 관측소가 사용되고 있습니다(다른 항공기도 가끔 적외선 우주 연구를 초대하기 위해 사용됩니다). 다음과 같습니다: 갈릴레오 천문대 NASA 미션입니다. 1965~1973년에 활동했습니다. 카이퍼 공중 관측소 NASA의 미션입니다. 1974~1995년에 활동했습니다. 소피아 NASA-DLR 미션입니다. 2010~2022년에 활동입니다.

지상 관측소

많은 지상 적외선 망원경이 전 세계에 존재합니다. 가장 큰 것은 다음과 같습니다: VISTA UKIRT IRTF WIRO

Leave a Comment