Astronomía infrarroja

La astronomía infrarroja es una subdisciplina de la astronomía que se especializa en la observación y el análisis de objetos astronómicos utilizando radiación infrarroja (IR). La longitud de onda de la luz infrarroja oscila entre 0,75 y 300 micrómetros y se encuentra entre la radiación visible, que oscila entre 380 y 750 nanómetros, y las ondas submilimétricas.

La astronomía infrarroja comenzó en la década de 1830, algunas décadas después del descubrimiento de la luz infrarroja por parte de William Herschel en 1800. Los primeros avances fueron limitados y no fue hasta principios del siglo XX que las detecciones concluyentes de objetos astronómicos distintos del Sol y La luna se hizo en luz infrarroja. Después de que se hicieran una serie de descubrimientos en las décadas de 1950 y 1960 en radioastronomía, los astrónomos se dieron cuenta de la información disponible fuera del rango de longitud de onda visible y se estableció la astronomía infrarroja moderna.

La astronomía óptica e infrarroja a menudo se practica con los mismos telescopios, ya que los mismos espejos o lentes suelen ser efectivos en un rango de longitud de onda que incluye tanto la luz visible como la infrarroja. Ambos campos también usan detectores de estado sólido, aunque el tipo específico de fotodetectores de estado sólido que se usan es diferente. La luz infrarroja es absorbida en muchas longitudes de onda por el vapor de agua en la atmósfera terrestre, por lo que la mayoría de los telescopios infrarrojos se encuentran a gran altura en lugares secos, por encima de la mayor parte posible de la atmósfera. También ha habido observatorios infrarrojos en el espacio, incluido el Telescopio Espacial Spitzer, el Observatorio Espacial Herschel y, más recientemente, el Telescopio Espacial James Webb.

Historia

El innovador NICMOS infrarrojo de Hubble

SOFIA es un telescopio infrarrojo en un avión, mostrado aquí en una prueba de 2009

El descubrimiento de la radiación infrarroja se atribuye a William Herschel, quien realizó un experimento en 1800 en el que colocó un termómetro a la luz del sol de diferentes colores después de pasar a través de un prisma. Se dio cuenta de que el aumento de temperatura inducido por la luz solar era más alto fuera del espectro visible, justo más allá del color rojo. Que el aumento de temperatura fuera más alto en las longitudes de onda infrarrojas se debió a la respuesta espectral del prisma más que a las propiedades del Sol, pero el hecho de que hubiera algún aumento de temperatura llevó a Herschel a deducir que había radiación invisible del Sol. Llamó a esta radiación "rayos caloríficos" y demostró que podía reflejarse, transmitirse y absorberse como la luz visible.

Alto en la meseta de Chajnantor, el Array de Millímetro de Atacama Grande proporciona un lugar extraordinario para la astronomía infrarroja.

Se hicieron esfuerzos a partir de la década de 1830 y durante el siglo XIX para detectar la radiación infrarroja de otras fuentes astronómicas. La radiación de la Luna fue detectada por primera vez en 1856 por Charles Piazzi Smyth, el astrónomo real de Escocia, durante una expedición a Tenerife para probar sus ideas sobre la astronomía en las cimas de las montañas. Ernest Fox Nichols usó un radiómetro Crookes modificado en un intento de detectar la radiación infrarroja de Arcturus y Vega, pero Nichols consideró que los resultados no eran concluyentes. Aun así, la relación de flujo que informó para las dos estrellas es consistente con el valor moderno, por lo que George Rieke le da crédito a Nichols por la primera detección de una estrella distinta a la nuestra en el infrarrojo.

El campo de la astronomía infrarroja siguió desarrollándose lentamente a principios del siglo XX, cuando Seth Barnes Nicholson y Edison Pettit desarrollaron detectores de termopila capaces de realizar una fotometría infrarroja precisa y sensibles a unos pocos cientos de estrellas. Sin embargo, el campo fue descuidado en su mayoría por los astrónomos tradicionales hasta la década de 1960, y la mayoría de los científicos que practicaban la astronomía infrarroja en realidad habían sido físicos capacitados. El éxito de la radioastronomía durante las décadas de 1950 y 1960, combinado con la mejora de la tecnología de detección de infrarrojos, llevó a más astrónomos a prestar atención y la astronomía infrarroja se estableció como un subcampo de la astronomía.

Los telescopios espaciales infrarrojos entraron en servicio. En 1983, IRAS realizó un estudio de todo el cielo. En 1995, la Agencia Espacial Europea creó el Observatorio Espacial Infrarrojo. En 1998, este satélite se quedó sin helio líquido. Sin embargo, antes de eso, descubrió protoestrellas y agua en nuestro universo (incluso en Saturno y Urano).

El 25 de agosto de 2003, la NASA lanzó el Telescopio Espacial Spitzer, anteriormente conocido como Instalación del Telescopio Infrarrojo Espacial. En 2009, el telescopio se quedó sin helio líquido y perdió la capacidad de ver el infrarrojo lejano. Había descubierto estrellas, la Nebulosa de la Doble Hélice y la luz de los planetas extrasolares. Continuó trabajando en bandas de 3,6 y 4,5 micrómetros. Desde entonces, otros telescopios infrarrojos ayudaron a encontrar nuevas estrellas en formación, nebulosas y viveros estelares. Los telescopios infrarrojos han abierto una parte completamente nueva de la galaxia para nosotros. También son útiles para observar cosas extremadamente distantes, como los cuásares. Los cuásares se alejan de la Tierra. El gran corrimiento al rojo resultante los convierte en objetivos difíciles para un telescopio óptico. Los telescopios infrarrojos dan mucha más información sobre ellos.

Durante mayo de 2008, un grupo de astrónomos infrarrojos internacionales demostró que el polvo intergaláctico atenúa en gran medida la luz de las galaxias distantes. En realidad, las galaxias son casi el doble de brillantes de lo que parecen. El polvo absorbe gran parte de la luz visible y la vuelve a emitir como luz infrarroja.

Astronomía infrarroja moderna

Vista infrarroja Hubble de la Nebulosa de Tarantula.

La radiación infrarroja con longitudes de onda apenas más largas que la luz visible, conocida como infrarrojo cercano, se comporta de manera muy similar a la luz visible y se puede detectar utilizando dispositivos de estado sólido similares (debido a esto, muchos cuásares, estrellas y galaxias fueron descubiertos). Por esta razón, la región del infrarrojo cercano del espectro se incorpora comúnmente como parte del sistema "óptico" espectro, junto con el ultravioleta cercano. Muchos telescopios ópticos, como los del Observatorio Keck, funcionan eficazmente en el infrarrojo cercano y en longitudes de onda visibles. El infrarrojo lejano se extiende a longitudes de onda submilimétricas, que son observadas por telescopios como el Telescopio James Clerk Maxwell en el Observatorio de Mauna Kea.

Impresión artística de la galaxia W2246-0526, una única galaxia que brilla en luz infrarroja tan intensamente como 350 billones de soles.

Al igual que todas las demás formas de radiación electromagnética, los astrónomos utilizan el infrarrojo para estudiar el universo. De hecho, las mediciones infrarrojas tomadas por los estudios astronómicos 2MASS y WISE han sido particularmente efectivas para revelar cúmulos estelares no descubiertos previamente. Ejemplos de estos cúmulos de estrellas incrustados son FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30 y Majaess 99. Los telescopios infrarrojos, que incluyen la mayoría de los principales telescopios ópticos, así como algunos telescopios infrarrojos dedicados, deben enfriarse con líquido. nitrógeno y protegido de objetos calientes. La razón de esto es que los objetos con temperaturas de unos pocos cientos de Kelvin emiten la mayor parte de su energía térmica en longitudes de onda infrarrojas. Si los detectores de infrarrojos no se mantuvieran refrigerados, la radiación del propio detector contribuiría con un ruido que eclipsaría la radiación de cualquier fuente celestial. Esto es particularmente importante en las regiones del infrarrojo medio e infrarrojo lejano del espectro.

Para lograr una mayor resolución angular, algunos telescopios infrarrojos se combinan para formar interferómetros astronómicos. La resolución efectiva de un interferómetro se establece por la distancia entre los telescopios, en lugar del tamaño de los telescopios individuales. Cuando se utilizan junto con la óptica adaptativa, los interferómetros infrarrojos, como los dos telescopios de 10 metros del Observatorio Keck o los cuatro telescopios de 8,2 metros que componen el interferómetro del Very Large Telescope, pueden lograr una alta resolución angular.

Ventanas atmosféricas en el infrarrojo.

La principal limitación de la sensibilidad infrarroja de los telescopios terrestres es la atmósfera terrestre. El vapor de agua absorbe una cantidad significativa de radiación infrarroja y la propia atmósfera emite en longitudes de onda infrarrojas. Por esta razón, la mayoría de los telescopios infrarrojos se construyen en lugares muy secos a gran altura, de modo que estén por encima de la mayor parte del vapor de agua de la atmósfera. Los lugares adecuados en la Tierra incluyen el Observatorio Mauna Kea a 4205 metros sobre el nivel del mar, el Observatorio Paranal a 2635 metros en Chile y regiones de desierto de hielo de gran altitud como el Domo C en la Antártida. Incluso a gran altura, la transparencia de la atmósfera terrestre es limitada, excepto en las ventanas infrarrojas, o longitudes de onda en las que la atmósfera terrestre es transparente. Las principales ventanas de infrarrojos se enumeran a continuación:

Como es el caso de los telescopios de luz visible, el espacio es el lugar ideal para los telescopios infrarrojos. Los telescopios en el espacio pueden lograr una resolución más alta, ya que no sufren la borrosidad causada por la atmósfera de la Tierra y también están libres de la absorción infrarroja causada por la atmósfera de la Tierra. Los telescopios infrarrojos actuales en el espacio incluyen el Observatorio Espacial Herschel, el Telescopio Espacial Spitzer, el Explorador de Infrarrojos de Campo Amplio y el Telescopio Espacial James Webb. Dado que poner telescopios en órbita es costoso, también hay observatorios aéreos, como el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja y el Observatorio Aerotransportado de Kuiper. Estos observatorios vuelan sobre la mayor parte de la atmósfera, pero no toda, y el vapor de agua en la atmósfera absorbe parte de la luz infrarroja del espacio.

Ciencia SOFIA — supernova remanente eyecta produciendo material de formación planetaria.

Tecnología infrarroja

Uno de los conjuntos de detectores de infrarrojos más comunes que se utilizan en los telescopios de investigación son los conjuntos de HgCdTe. Estos funcionan bien entre longitudes de onda de 0,6 y 5 micrómetros. Para observaciones de mayor longitud de onda o mayor sensibilidad, se pueden usar otros detectores, incluidos otros detectores de semiconductores de espacio estrecho, conjuntos de bolómetros de baja temperatura o conjuntos de unión de túnel superconductora de conteo de fotones.

Los requisitos especiales para la astronomía infrarroja incluyen: corrientes oscuras muy bajas para permitir largos tiempos de integración, circuitos de lectura de bajo ruido asociados y, a veces, recuentos de píxeles muy altos.

La baja temperatura a menudo se logra con un refrigerante, que puede agotarse. Las misiones espaciales terminaron o cambiaron a "caliente" observaciones cuando se agotó el suministro de refrigerante. Por ejemplo, WISE se quedó sin refrigerante en octubre de 2010, unos diez meses después de su lanzamiento. (Ver también NICMOS, Telescopio Espacial Spitzer)

Observatorios

Observatorios espaciales

Muchos telescopios espaciales detectan radiación electromagnética en un rango de longitud de onda que se superpone al menos hasta cierto punto con el rango de longitud de onda infrarroja. Por lo tanto, es difícil definir qué telescopios espaciales son telescopios infrarrojos. Aquí la definición de "telescopio espacial infrarrojo" se toma como un telescopio espacial cuya misión principal es detectar luz infrarroja.

Ocho telescopios espaciales infrarrojos han sido operados en el espacio. Son:

• Satélite Astronómico infrarrojo (IRAS), operado en 1983 (10 meses). Una misión conjunta de Estados Unidos (NASA), Reino Unido y Países Bajos.
• Infrared Space Observatory (ISO), operated 1995-1998, ESA mission.
• Midcourse Space Experiment (MSX), operado en 1996-1997, misión BMDO.
• Telescopio Espacial Spitzer, operado 2003-2020, misión de la NASA.
• Akari, operado 2006-2011, misión JAXA.
• Herschel Space Observatory, operado 2009-2013, misión ESA.
• Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), operado 2009-, misión de la NASA.
• James Webb Space Telescope (JWST), operado 2022-, misión de la NASA.

Además, SPHEREx es un telescopio cuyo lanzamiento está programado para 2025. La NASA también planea lanzar el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman (NGRST), originalmente conocido como Telescopio Espacial Infrarrojo de Campo Amplio (WFIRST), en 2027.

La ESA está desarrollando su propio satélite de infrarrojo cercano, el satélite Euclid, cuyo lanzamiento está previsto para 2023.

Muchas otras misiones espaciales más pequeñas y detectores de radiación infrarroja basados en el espacio han sido operados en el espacio. Estos incluyen el Telescopio Infrarrojo (IRT) que voló con el transbordador espacial.

El satélite astronómico de ondas submilimétricas (SWAS) a veces se menciona como un satélite infrarrojo, aunque es un satélite submilimétrico.

Instrumentos infrarrojos en telescopios espaciales

Para muchos telescopios espaciales, solo algunos de los instrumentos son capaces de realizar observaciones infrarrojas. A continuación se enumeran algunos de los más notables de estos observatorios e instrumentos espaciales:

• Satélite del Explorador de Información Cósmica (COBE) (1989-1993) Instrumento de antecedentes infrarrojos difusos (DIRBE)
• Telescopio Espacial Hubble (1990-) Instrumento de cámara infrarroja y espectrométrico multiobjeto (NICMOS) (1997-1999, 2002-2008)
• Telescopio Espacial Hubble Wide Field Camera 3 (WFC3) cámara (2009-) observa infrarrojos.

Observatorios Aerotransportados

Se han utilizado tres observatorios basados en aviones (ocasionalmente también se han utilizado otros aviones para albergar estudios espaciales infrarrojos) para estudiar el cielo en infrarrojos. Son:

• Observatorio Galileo, misión de la NASA. Fue activo 1965-1973.
• Kuiper Airborne Observatorio, misión de la NASA. Estuvo activo 1974-1995.
• SOFIA, una misión NASA-DLR. Activo desde 2010.

Observatorios terrestres

Existen muchos telescopios infrarrojos terrestres en todo el mundo. Los más grandes son:

• VISTA
• UKIRT
• IRTF
• WIRO