Астрономия
Инфракрасное небо
А. В. ЗАСОВ,
доктор физико-математических наук ГАИШ МГУ
Современная техника регистрации инфракрасного излучения, приходящего к нам из космоса, позволила увидеть Вселенную в новом свете. Астрономы получили бесценную информацию о
том, что скры/вается за пеленой космической пыли, где прячется самое холодное вещество, открыли органические молекулыI в межзвездном газе и многое-многое другое...
ОТКРЫТИЕ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ
В Англии во второй половине XVIII в. - начале XIX в. жил и работал выдающийся астроном, оптик и музыкант (органист, учитель музыки) Вильям Гер-шель (1738-1822). Приобретя стекольную мастерскую, он освоил искусство изготовления сферических зеркал для телескопов и с помощью созданных им инструментов вместе со своей сестрой Каролиной занялся систематическим поиском и изучением различных небесных объектов. Работа этого талантливого исследователя при© Засов А.В.
вела к серии столь значительных открытий, что каждое из них достаточно для увековечения его имени в истории науки. Так, ему принадлежит открытие планеты Уран и нескольких спутников Сатурна и Урана, многих неизвестных ранее туманностей, двойных и кратных звезд (в 1804 г. он опубликовал их каталог). В. Гер-шель определил направление движения Солнца относительно окружающих звезд, дал первую оценку формы и размеров нашей Галактики. Но здесь пойдет речь о его другом, но не менее важном открытии.
В. Гершель первым поставил задачу, говоря современным языком, по измерению распределения энергии в спектре солнечного излучения. Для этого им был проведен уникальный физический эксперимент. Узкий пучок солнечного света он пропустил сквозь стеклянную призму, разложившую свет в цветную полоску спектра, а затем поместил в различные области спектра (синюю, зеленую, красную) обычные ртутные термометры с зачерненными (чтобы уменьшить отражение) ртутными шариками. По степени нагрева каж-
дого термометра можно было объективно судить о количестве тепловой энергии, переносимой солнечными лучами того или иного цвета. Обнаружилось, что сильнее всех нагрелся тот термометр, на который солнечный свет, казалось бы, совсем не попадал. Он лежал за красным концом спектральной полоски. Рост температуры означал, что энергия может переноситься излучением, не воспринимаемым глазом. Проведя несложные опыты, В. Гершель убедился, что это невидимое излучение, переносящее тепло, подчиняется тем же законам преломления и отражения, что и видимый свет. Впоследствии его стали называть инфракрасным излучением. Как выяснилось позднее, ИК-излучение достаточно высокой мощности все же
воспринимается человеком, но не глазом, а... кожей, поскольку создает ощущение тепла.
Инфракрасное излучение связано с различными физическими процессами, его часто называют тепловым, поскольку оно излучается всеми нагретыми телами, а энергия излучения черпается из их тепловой энергии. Поэтому тепловое излучение - это самый универсальный механизм охлаждения любых тел. При понижении температуры слабеет тепловое излучение и одновременно увеличивается длина волны, на которую приходится максимум в его спектре.
Подтвердилось, что природа Ик-излучения такая же, как и у видимого света, его спектральный диапазон лежит между красным концом спектра (0.65-
Снимок облачного покрова Земли, сделанный американским метеорологическим спутником "Meteosat-9" (США). Отмечены границы стран и континентов. NASA.
0.7 мкм) и началом радиодиапазона (около 1 мм). Весь диапазон инфракрасного излучения принято разделять на ближний, средний и дальний (длинноволновый). К первому относятся волны длиной 0.7-5 мкм. Этот диапазон используется, например, для передачи информации по стекловолоконным кабелям, на него же приходится максимальная энергия излучения большинства звезд, более холодных, чем Солнце. Средний диапазон соответствует 5-30 мкм, на него приходится максимум излучения тел, нагретых до нескольких сотен кельвинов. В ближнем и средневолновом диапазоне располагаются спектральные линии различных молекул, несущие важную информацию о составе разреженной среды. Более длинные волны относятся к дальнему ИК-диапазону, самому трудному для регистрации и исследований. Диапазон в сотни микрометров называют также субмиллиметровым. Это область излучения самых холодных тел и сред, температура которых может быть всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля.
Прошло время, и прежде загадочное ИК-излуче-ние стало использоваться в научных экспериментах
Центральная область нашей Галактики. Изображение в видимом свете (слева) и ближнем ИК-диапазоне (по обзору 2MASS). Размер полей - около 2градусов. NASA.
и медицинских целях, в различных оптических и технических установках. Нет смысла доказывать, сколь широкое применение нашли инфракрасные приборы в быту и на производстве. Достаточно вспомнить, что при нажатии на кнопки пульта дистанционного управления инфракрасные сигналы поступают в телевизоры и РУй-плееры. Метеорологические ИСЗ получают ИК-изображения облачного покрова планеты (даже на ее ночной стороне!), необходимые для прогноза погоды. Но во всех перечисленных случаях речь идет об ИК-источниках достаточно высокой яркости. Чтобы наблюдать астрономические объекты, требуются более чувстви-
тельные приемники, чем бытовые.
Зарегистрировать и измерить приходящее на Землю из космоса ИК-из-лучение оказалось непростой задачей. В течение ста лет после открытия В. Гершеля наше светило оставалось единственным известным космическим источником инфракрасных волн (если не считать слабого теплового излучения Луны, зарегистрированного в середине XIX в.): инфракрасный свет от звезд, даже более горячих, чем Солнце, был слишком слаб, чтобы его могли почувствовать физические приборы.
В начале XX столетия завершилась эпоха визуальных наблюдений в астрономии, ученые перешли к фотографированию неба. Но даже чувствительная к красному свету фотоэмульсия плохо реагирует на ИК-излучение. Тем не менее научиться наблюдать небо в ИК-лучах оказалось очень привле-
кательной задачей - это прямой путь к поискам и изучению холодных небесных тел, к дистанционному измерению температур различных космических объектов. К тому же ИК-из-лучение легче проходит сквозь межзвездную пыль, чем видимое. Обычный свет сильно ослабляется с расстоянием, особенно в направлениях, близких к полосе Млечного Пути, где как раз сконцентрировано много интересных астрономических объектов.
В 1960-е гг. первый обзор неба в ближнем ИК-диапазоне выполнили американские ученые обсерватории Маунт Вильсон, они обнаружили более 20 тыс. ИК-источников на небе. С этих пор инфракрасные исследования звезд, планет и галактик начали развиваться быстрыми темпами. В 1980-х гг. с появлением космических обсерваторий стали осваиваться средне-и длинноволновый ИК-диапазоны. Эта область оказалась для
астрономов terra incognita, здесь они встретились с неизвестными ранее космическими источниками излучения. Родилась новая отрасль науки - инфракрасная астрономия (Земля и Вселенная, 1965, № 5).
ИНФРАКРАСНЫЕ "ГЛАЗА" АСТРОНОМОВ
Чтобы зарегистрировать ИК-свет от астрономических источников,используют зеркальные телескопы, собирающие свет, - точно так же, как и при наблюдениях в видимых лучах. При этом далеко не для всех научных задач требуются фотографии объекта. Лишь недавно научились получать качественные изображения слабых инфракрасных космических источников. Во многих случаях достаточно было решить более простую задачу - уловить и измерить мощность теплового потока от небесного тела или какого-либо его участка. С этой целью в первой половине XX в. вместо фотоматериалов стали использовать физические приборы, реагирующие на ничтожно малые потоки теплового излучения. Сначала применялись термопары (соединения двух специально подобранных проводников с различными электропроводными свойствами), а позднее - фотосопротивления на основе соединения PbS, меняющие электрическое сопротивление даже при очень слабом нагреве.
С помощью фотосопротивлений по инфракрас-
ным спектрам удалось измерить температуры различных областей Луны и планет, облачных слоев планет и уточнить химический состав их атмосфер, заглянуть в запыленные участки Галактики и обнаружить неизвестные ранее типы источников "холодного" света, исследовать очень тусклые в видимом диапазоне спектра низкотемпературные звезды. Необходимо упомянуть одно из важных открытий, относящееся к планетной астрономии. В 1965 г. доктор физико-математических наук В.И. Мороз выполнил наземные спектральные наблюдения Марса в области спектра около 3 мкм и обнаружил в его поверхностных слоях присутствие льда (вечной мерзлоты?). Это открытие блестяще подтвердилось в последние годы благодаря использованию ИК-спектро-метров, установленных на марсианских межпланетных станциях.
Получить четкие изображения протяженных источников - задача более сложная, чем просто измерить приходящий от них поток. Чтобы сфотографировать инфракрасный источник, необходимо усилить сигнал и преобразовать ИК-излучение в видимое. Первые инфракрасные фотографии далеких объектов, выполненные с усилением сигнала, удалось получить с помощью техники, разрабатывавшейся исключительно для военных целей. Во время Второй мировой войны в СССР и Германии были со-
зданы приборы для ночного боя и танковождения, позволяющие видеть предметы почти в полной темноте. В СССР подобные разработки проводились по инициативе талантливого ученого и конструктора В.И. Красовского. Они, в частности, были успешно использованы в Сталинградской битве при ночных рейдах танковых колонн. В таких приборах применялись чувствительные к ИК-лучам электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Их работа основана на внешнем фотоэффекте. ЭОП представляет собой вакуумную трубку с полупрозрачным окошечком - катодом, покрытым слоем металла с низкой энергией выхода электронов. Внутри трубки создается сильное электрическое поле с определенной конфигурацией силовых линий, ускоряющее электроны и направляющее их движение. Кванты света, поглощаемые катодом, выбивают из него внутрь трубки свободные электроны, которые разгоняются электриче
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.