赤外線天文学

赤外線天文学は、天文学の一分野であり、赤外線（IR）を用いた天体の観測と分析を専門としています。赤外線の波長は0.75～300マイクロメートルで、可視光線（380～750ナノメートル）とサブミリ波の中間に位置します。

赤外線天文学は、1800年にウィリアム・ハーシェルが赤外線を発見してから数十年後の1830年代に始まりました[要出典] 。 [1]初期の進歩は限られており、太陽と月以外の天体が赤外線で決定的に検出されたのは20世紀初頭になってからでした[要出典] 。1950年代と1960年代に電波天文学で多くの発見があった後、天文学者は可視波長範囲外で利用可能な情報に気づき、現代の赤外線天文学が確立されました[2] 。

赤外線天文学と光学天文学は、多くの場合同じ望遠鏡を用いて実施されます。これは、同じ鏡やレンズが、可視光と赤外線の両方を含む波長域で効果を発揮するためです。両分野では固体検出器も使用されますが、使用される固体光検出器の種類は異なります。赤外線は地球の大気中の水蒸気によって多くの波長で吸収されるため、ほとんどの赤外線望遠鏡は乾燥した高地、できるだけ大気圏外に設置されています。宇宙にも赤外線観測所があり、スピッツァー宇宙望遠鏡、ハーシェル宇宙望遠鏡、そして最近ではジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などがあります。[3]

歴史

ハッブルの画期的な近赤外線NICMOS
SOFIAは航空機に搭載された赤外線望遠鏡で、ここでは2009年のテストの様子が見られる。

赤外線の発見はウィリアム・ハーシェルによるものとされています。彼は1800年に、プリズムを通過した様々な色の太陽光に温度計を置く実験を行いました。[1]彼は、太陽光によって引き起こされる温度上昇が可視スペクトルの外側、つまり赤色のすぐ外側で最も高いことに気づきました。赤外線波長で温度上昇が最も高かったのは、太陽の性質ではなくプリズムの分光応答によるものでしたが、温度上昇が少しでもあったという事実から、ハーシェルは太陽から目に見えない放射線が出ていると推測しました。彼はこの放射線を「熱線」と名付け、可視光と同様に反射、透過、吸収されることを示しました。[1]

チャナントール高原の高地にあるアタカマ大型ミリ波干渉計は、赤外線天文学にとって特別な場所を提供しています。[4]

1830年代から19世紀にかけて、他の天体からの赤外線放射を検出するための努力が続けられました。月からの放射は、1856年にスコットランド王立天文官チャールズ・ピアッツィ・スミスによって初めて検出されました。彼は、山頂天文学に関する自身の考えを検証するためにテネリフェ島へ遠征しました。アーネスト・フォックス・ニコルズは、改造されたクルックス放射計を用いてアークトゥルスとベガからの赤外線放射を検出しようとしましたが、ニコルズはその結果を決定的なものとは見なしませんでした。それでも、彼が報告した2つの星の放射量の比は現代の値と一致しているため、ジョージ・リーケはニコルズが赤外線で地球以外の恒星を初めて検出した功績を認めています。[2]

赤外線天文学の分野は、セス・バーンズ・ニコルソンとエジソン・ペティットが数百の星まで感度を持つ高精度赤外線測光が可能なサーモパイル検出器を開発したことにより、20世紀初頭にもゆっくりと発展を続けました。赤外線天文学を実践した科学者のほとんどは、実際には物理学の訓練を受けた科学者であったため、この分野は1960年代まで伝統的な天文学者からほとんど無視されていました。1950年代から1960年代にかけての電波天文学の成功と赤外線検出器技術の進歩により、より多くの天文学者が注目するようになり、赤外線天文学は天文学のサブフィールドとして確立されました。[2] [5]

赤外線宇宙望遠鏡が運用を開始しました。初期の赤外線天体観測は、アメリカ空軍が観測ロケットを用いて実施しました。[6] 1983年には、IRASが全天観測を実施しました。1995年には、欧州宇宙機関（ESA）が赤外線宇宙望遠鏡（ IRAS）を設立しました。この衛星は1998年に液体ヘリウムが枯渇する前に、宇宙（土星と天王星を含む）の原始星と水を発見しました。[7]

2003年8月25日、NASAはスピッツァー宇宙望遠鏡（以前は宇宙赤外線望遠鏡施設として知られていた）を打ち上げました。2009年、望遠鏡は液体ヘリウムが枯渇し、遠赤外線を観測できなくなりました。この望遠鏡は、恒星、二重らせん星雲、太陽系外惑星からの光を発見しました。3.6マイクロメートルと4.5マイクロメートルの帯域で作業を続けました。それ以来、他の赤外線望遠鏡が、形成中の新しい星、星雲、恒星の育成場を発見するのに役立ちました。赤外線望遠鏡は、銀河のまったく新しい部分を私たちに示しました。また、クエーサーのような非常に遠くにあるものを観測するのにも役立ちます。クエーサーは地球から遠ざかります。その結果生じる大きな赤方偏移のため、光学望遠鏡ではクエーサーを観測するのが難しくなります。赤外線望遠鏡は、クエーサーについてより多くの情報を提供します。

2008年5月、国際的な赤外線天文学者グループは、銀河間塵が遠方の銀河の光を大きく暗くしていることを証明しました。実際には、銀河は見た目のほぼ2倍の明るさを持っています。塵は可視光の多くを吸収し、赤外線として再放射します。

現代の赤外線天文学

ハッブル宇宙望遠鏡によるタランチュラ星雲の赤外線画像。[8]

可視光よりわずかに波長が長い赤外線は近赤外線と呼ばれ、可視光と非常によく似た挙動を示し、同様の固体デバイスを用いて検出することができます（このため、多くのクエーサー、恒星、銀河が発見されました）。このため、近赤外線スペクトル領域は、近紫外線と共に「光学」スペクトルの一部として一般的に組み込まれています。ケック天文台などの多くの光学望遠鏡は、可視波長だけでなく近赤外線でも効果的に作動します。遠赤外線はサブミリ波波長まで広がり、マウナケア天文台のジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡などの望遠鏡によって観測されます。

銀河W2246-0526の想像図。太陽350兆個分の赤外線で輝く単一の銀河。[9]

他のすべての形態の電磁放射と同様に、赤外線は天文学者による宇宙の研究に利用されています。実際、2MASSおよびWISE天文調査によって行われた赤外線測定は、これまで発見されていなかった星団を明らかにするのに特に効果的でした。[10] [11]そのような内在星団の例としては、FSR 1424、FSR 1432、カマルゴ 394、カマルゴ 399、Majaess 30、およびMajaess 99があります。[12] [13] [14]ほとんどの主要な光学望遠鏡といくつかの専用の赤外線望遠鏡を含む赤外線望遠鏡は、液体窒素で冷却し、暖かい物体から保護する必要があります。その理由は、数百ケルビンの温度の物体は、熱エネルギーのほとんどを赤外線波長で放射するためです。赤外線検出器が冷却されなければ、検出器自体からの放射がノイズとなり、天体からの放射を圧倒してしまうでしょう。これは、スペクトルの中赤外線および遠赤外線領域において特に重要です。

より高い角度分解能を実現するために、複数の赤外線望遠鏡を組み合わせて天文干渉計を構成します。干渉計の実効分解能は、個々の望遠鏡の大きさではなく、望遠鏡間の距離によって決まります。ケック天文台の2基の10メートル望遠鏡や、超大型望遠鏡干渉計を構成する4基の8.2メートル望遠鏡などの赤外線干渉計は、補償光学と併用することで、高い角度分解能を実現できます。

赤外線の大気の窓。

地上の望遠鏡の赤外線感度を主に制限するのは、地球の大気です。水蒸気は大量の赤外線を吸収し、大気自体も赤外線波長を放射します。このため、ほとんどの赤外線望遠鏡は、大気中の水蒸気の大部分より高くなるように、高度の高い非常に乾燥した場所に建設されます。地球上で適した場所としては、海抜4205メートルのマウナケア天文台、チリの標高2635メートルのパラナル天文台、南極のドームCなどの高度の高い氷砂漠の地域などがあります。高高度でも、赤外線ウィンドウ、つまり地球の大気が透明な波長を除いて、地球の大気の透明度は限られています。[15]主な赤外線ウィンドウを次に示します。

スペクトラム波長
（マイクロメートル）		天文
バンド		望遠鏡
近赤外線0.65から1.0RバンドとIバンドすべての主要な光学望遠鏡
近赤外線1.1から1.4Jバンド主要な光学望遠鏡と専用の赤外線望遠鏡のほとんど
近赤外線1.5から1.8Hバンド主要な光学望遠鏡と専用の赤外線望遠鏡のほとんど
近赤外線2.0から2.4Kバンド主要な光学望遠鏡と専用の赤外線望遠鏡のほとんど
近赤外線3.0から4.0Lバンドほとんどの専用赤外線望遠鏡と一部の光学望遠鏡
近赤外線4.6から5.0Mバンドほとんどの専用赤外線望遠鏡と一部の光学望遠鏡
中赤外線7.5から14.5Nバンドほとんどの専用赤外線望遠鏡と一部の光学望遠鏡
中赤外線17～25歳Qバンドいくつかの専用の赤外線望遠鏡といくつかの光学望遠鏡
遠赤外線28～40歳Zバンドいくつかの専用の赤外線望遠鏡といくつかの光学望遠鏡
遠赤外線330から370いくつかの専用の赤外線望遠鏡といくつかの光学望遠鏡
遠赤外線450サブミリ波サブミリ波望遠鏡

可視光望遠鏡の場合と同様に、宇宙は赤外線望遠鏡にとって理想的な場所です。宇宙にある望遠鏡は、地球の大気によるぼやけや赤外線の吸収がないので、より高い解像度を実現できます。現在宇宙にある赤外線望遠鏡には、ハーシェル宇宙望遠鏡、スピッツァー宇宙望遠鏡、広域赤外線探査探査機、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡があります。望遠鏡を軌道上に載せるには費用がかかるため、成層圏赤外線天文台やカイパー航空機搭載天文台などの空中天文台も存在します。これらの天文台は大気圏のほとんど（すべてではない）の上空を飛行し、大気中の水蒸気が宇宙からの赤外線の一部を吸収します。

SOFIA の科学 —惑星形成物質を生成する超新星残骸の噴出物。

赤外線技術

研究用望遠鏡で用いられる最も一般的な赤外線検出器アレイの一つは、HgCdTeアレイです。このアレイは0.6～5マイクロメートルの波長域で良好に動作します。より長い波長域での観測や高感度観測には、他の狭ギャップ半導体検出器、低温ボロメータアレイ、光子計数型超伝導トンネル接合アレイなど、他の検出器が使用される場合があります。

赤外線天文学の特別な要件には、長い積分時間を可能にする非常に低い暗電流、関連する低ノイズ読み出し回路、場合によっては非常に高いピクセル数などがあります。

低温は冷却剤によって達成されることが多いが、冷却剤が枯渇することがある。[16]冷却剤の供給が枯渇すると、宇宙ミッションは終了するか、「温暖」観測に移行した。[16]例えば、WISEは打ち上げから約10ヶ月後の2010年10月に冷却剤が枯渇した。[16] （ NICMOS 、スピッツァー宇宙望遠鏡も参照）

天文台

宇宙観測所

多くの宇宙望遠鏡は、赤外線の波長域と少なくともある程度重なる波長域の電磁放射を検出します。そのため、どの宇宙望遠鏡が赤外線望遠鏡であるかを定義することは困難です。ここで「赤外線宇宙望遠鏡」とは、赤外線の検出を主な任務とする宇宙望遠鏡を指します。

宇宙では8基の赤外線宇宙望遠鏡が運用されています。それらは以下の通りです。

NASAはまた、2027年にナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡（NGRST）（元々は広視野赤外線宇宙望遠鏡（WFIRST）として知られていた）を打ち上げる計画も立てている。[18]

他にも多くの小規模な宇宙ミッションや宇宙設置型赤外線検出器が宇宙で運用されてきました。これには、スペースシャトルに搭載された赤外線望遠鏡（IRT）も含まれます。

サブミリ波天文衛星（SWAS）はサブミリ波衛星であるにもかかわらず、赤外線衛星と呼ばれることもあります。

宇宙望遠鏡の赤外線機器

多くの宇宙望遠鏡では、赤外線観測が可能なのは一部の機器のみです。以下に、これらの宇宙望遠鏡と機器の中でも特に注目すべきものをいくつか挙げます。

空中観測所

赤外線による天空の観測には、航空機搭載型の観測所が3つあります（赤外線宇宙研究のために他の航空機も時折使用されています）。これらの観測所は以下のとおりです。

地上観測所

地上には世界中に多くの赤外線望遠鏡が存在しています。最大のものは以下のとおりです。

参照

参考文献

  1. ^ abc 「ハーシェルが赤外線を発見」Cool Cosmos. 2012年2月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年4月9日閲覧。
  2. ^ abc Rieke, George H. (2009). 「赤外線望遠鏡と天文学の歴史」.実験天文学. 25 ( 1–3 ): 125–141 . Bibcode :2009ExA....25..125R. doi :10.1007/s10686-009-9148-7. S2CID  121996857.
  3. ^ ab Strickland, Ashley (2022年7月11日). 「バイデン大統領、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の素晴らしい初画像を公開」CNN . 2022年7月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年7月12日閲覧。
  4. ^ 「ESO Ultra HD Expeditionの最初の成果」ESO発表。 2014年5月10日閲覧。
  5. ^ グラス、イアン・S. (1999). 『赤外線天文学ハンドブック』ケンブリッジ、イギリス:ケンブリッジ大学出版局. ISBN 0-521-63311-7。
  6. ^ Price, Stephan D. (2008年4月18日). 「宇宙赤外線天文学の歴史と空軍赤外線天体背景プログラム」(PDF) . USAF技術報告書(AFRL-RV-HA-TR-2008-1039): 1– 348. 2025年4月4日閲覧。
  7. ^ 「Science in Context - Document」. link.galegroup.com . 2017年9月25日閲覧。
  8. ^ 「宇宙の不気味な網を解き明かす」ESA/ハッブル宇宙望遠鏡プレスリリース。2014年1月18日閲覧。
  9. ^ 「銀河W2246-0526の想像図」ESO.org . 2016年1月18日閲覧。
  10. ^ Froebrich, D.; Scholz, A.; Raftery, CL (2007). 「2MASSを用いた|b| <20°の赤外線星団の系統的サーベイ」. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 374 (2): 399. arXiv : astro-ph/0610146 . Bibcode :2007MNRAS.374..399F. doi : 10.1111/j.1365-2966.2006.11148.x . S2CID  15339002.
  11. ^ Majaess, D. (2013). 「WISEによる原始星とそのホストクラスターの発見」.天体物理学と宇宙科学. 344 (1): 175. arXiv : 1211.4032 . Bibcode :2013Ap&SS.344..175M. doi :10.1007/s10509-012-1308-y. S2CID  118455708.
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  13. ^ Camargo, D.; Bica, E.; Bonatto, C. (2013). 「銀河系反中心星団の調査に向けて – III. 外縁円盤における渦巻き構造の追跡」Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 432 (4): 3349– 3360. arXiv : 1304.5984 . doi : 10.1093/mnras/stt703 . hdl : 10183/93387 .
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  15. ^ “IR Atmospheric Windwows”. Cool Cosmos. 2018年10月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年4月9日閲覧。
  16. ^ abc Werner, Debra (2010年10月5日). 「Last-minute Reprieve Extends WISE Mission」. Space News . 2012年12月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年1月14日閲覧。
  17. ^ Interrante, Abbey (2022年8月3日). 「PUNCHがSPHERExとのライドシェアと新たな打ち上げ日を発表」NASA . 2022年8月3日閲覧。
  18. ^ 「NASA​​、ローマン宇宙望遠鏡の打ち上げサービス契約を締結」NASA（プレスリリース）2022年7月19日。 2022年7月19日閲覧。
ウィキメディア コモンズには、赤外線天文学に関連するメディアがあります。
  • Cool Cosmos（Caltech/IPAC IR教育リソースサイト）
  • 赤外線科学アーカイブ
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