Bevezetés az infravörös csillagászatba Moór Attila
Infravörös sugárzás ●
●
●
Felfedezése, első észlelése: 1800-ban William Herschel először figyelt meg egy “láthatatlan” sugárzást a Nap színképében. Mivel a sugarak a vörös alatti tartományban voltak találhatók ezért Herschel az infravörös nevet adta neki. Elektromágneses sugárzás infravörös (IR) tartománya: –
0.78-1000μm (ISO 20473);
–
~0.7-200μm (csillagászat);
További felosztás : –
közeli infravörös hullámhosszak : 0.7- (3-5)μm;
–
közép infravörös: (3-5) – (25-40)μm;
–
távoli infravörös: (25-50) – (200-350)μm;
Infravörös sugárzás II ●
●
●
Elsősorban “hősugárzás”, minden test a hőmérsékletének megfelelő sugárzást bocsát ki. Wien-féle eltolódási törvény: Tλmax= 2898μmK. ~3000K alatt a sugárzás nagy része az infravörösbe esik.
Infravörös sugárzás (főbb forrásai) ●
●
●
●
Elsősorban hőmérsékleti sugárzás. Pl. porszemcsék (csillagközi, csillagok körüli korongok, bolygóközi por), bolygók, kisbolygók, távoli galaxisok (por, vöröseltolódott csillagfény ...). Szabad-szabad emisszió (pl. Be csillagoknál tapasztalt IR többlet egy része az ionizált csillagszélben létrejövő szabad-szabad átmenetekből ered. Távoli infravörös hullámhosszakon figyelhetők meg a finomszerkezeti vonalak (pl. O I, C II). Ezeknek nagy szerepe a gáz hűlésében. Az Univerzum története során kibocsátott energia mintegy fele az infravörösben van ma jelen (elsősorban a csillagfény, de AGN-eknél a röntgen is).
Infravörös égbolt I
Infravörös égbolt II ●
Infravörös hullámhosszakon az optikai mélység általában alacsony: Av/AI~0.482, Av/AJ~0.282, Av/AK~0.112, Av/AL~0.056, Av/AM~0.023. Azaz infravörös hullámhosszakon átláthatunk “szinte mindenen”.
Légkör áteresztése I ●
●
●
A légkör a látható- és a rádió ablakban áteresztő. Közeli és közép infravörösben (<20µm) valamelyest áteresztő a légkör a vízgőz sávok között. 20µm felett gyakorlatilag átlátszatlan. Ultraibolya, röntgen és gamma hullámhosszakon átlátszatlan.
Légköri áteresztés II ●
Légköri extinkció: abszorpció + szórás. –
d << λ Rayleigh szórás (molekulák);
–
d ~ λ Mie szórás (aeroszolok, por);
–
Atomok + molekulák átmeneteinek köszönhetően elnyelés (H2O, CO2 a legjelentősebb).
Légköri áteresztés – megfigyelési sávok ●
●
●
●
●
Z (0.89μm), Y (1.03). Égi háttér : Hold szórt fénye dominálja. J (1.25), H (1.64), Ks (2.17). Háttér : légkör fény (“airglow”), J és H sávban különösen erős az hidroxil vonal hatása. Ég fényessége a Kanári szigetekről: J=15.5, H=13.8, K=12.9 mag/sq''. L (3.5), M (4.8), N (10.6), Q (21). Háttér: termikus sugárzás. Hosszabb hullámhosszak felé: átlátszóság általában csökken, az ég fényessége pedig nő. Száraz, magas helyek kellenek (kevesebb vízpára). Mauna Kea, Dome C (Antarktisz) jó helyek.
Infravörös mérések históriája ●
●
●
●
●
●
●
Charles Piazzi Smyth (1856): telihold infravörös sugárzását méri meg Teneriféről (egy termoelem segítségével). Különböző tengerszint feletti magasságokban mér – a magasabbról végzett mérések jobban sikerülnek. Lawrence Parsonsnak (Earl of Rosse) 1870-ben különböző holdfázisokban sikerül ugyanez. 1878-ban Samuel Pierpont Langley megépíti az első bolométert és azzal vizsgálja a Nap IR sugárzását. 1900-as évek elején Jupiter, Szaturnusz, Vega, Arcturus. 1915-ben William Coblentz megméri 110 csillag, továbbá néhány planetáris köd IR sugárzását. 20-as évek: az első szisztematikus felmérések – Hold, bolygók, csillagok, napfoltok. 50-es évek PbS detektorok. Amikor IR sugárzás éri a PbS cellát annak ellenállása megváltozik. Alacsony hőmérsékletre hűtve működik hatékonyan (77K folyékony nitrogén). Közeli IR hullámhosszakon jó. 59-61 Harold Johnson bevezeti az IR színeket (I, J, K, L).
Jelenkor technikája I (NIR) ●
●
Közeli-IR mérések. Pl. NOTCam kamera (Hawaii chip). –
HgCdTe detektor. 1024X1024, QE~60%, 1-2.5μm, FOV~4.1'x4.1';
–
Folyékony nitrogén hűtés – 74K.
Problémák és megoldásaik. –
Változó QE a detektor kül. részein - “flatfield” kalibráció;
–
Magas háttér – gyors kiolvasások + dithering;
–
Nonlinearitás – kerülni kell a nonlineáris tartományt;
–
Memória-effektus – kerülni kell a szaturációt;
–
Rossz pixelek – maszk / dithering;
–
Kozmikus beütések – dithering + sok kép;
–
Sötét áram – égi háttérrel együtt távolítják el.
Jelenkor technikája II (NIR) ●
●
●
Telescopio Carlos Sanchez (TCS) Tenerife/Izana. Tükör: 1.5m. Dedikált közeli-IR távcső.
Nordic Optical Telescope (NOT). Tükör: 2.5m.
United Kingdom Infrared Telescope (UKIRT). Tükör: 3.8m. Dedikált infravörös távcső.
Felmérések közeli infravörös hullámhosszakon ●
●
●
●
●
Two Micron Sky Survey (1968): Mount Wilson obszervatórium, PbS detektor, égbolt 75%, 20000 forrás, I és K sávban. the 2MASS All Sky Survey (1997-2001): Mt. Hopkins+Chile (1.3m), HgCdTe (256x256), teljes égbolt, ~500 millió pontforrás, J, H és Ks(15.8,15.1,14.3 mag.). DENIS (Deep Near Infrared Survey of the Southern Sky, 1996-2001): La Silla (Chile) 1m-ESO, déli égbolt, ~355 millió pontforrás, Gunn-i (0.82μm), J, K (18.5, 16.6, 14.0 mag.). UKIDSS (UKIRT Infrared Deep Sky Survey), UKIRT, 7500 négyzetfok (északon), JHK + bizonyos területeken Y. VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy): Paranal (4.1m), VIRCAM – 16 detektor, speciális területeken mély felvételek.
NIR célpontok ●
●
●
Csillagok (nagy extinkciójú területeken), hideg csillagok keresése, vizsgálata (vörös törpék, barna törpék). Fiatal protoplanetáris korongok legbelső régióinak vizsgálata, akár interferomérek segítségével. Közeli infravörös spektroszkópia is egyre fontosabb szerepet játszik.
Közép infravörös ●
●
●
●
●
(L)MNQ sávokban lehetséges a megfigyelés. Nagyon száraz, magas helyek kellenek. Tényleg csak néhány ilyen hely van a Földünkön. Háttér nagyon magas: távcső + ég + (állatövi fény). Háttérkivonás nagyon fontos: chop-nod technikával. Jóval kevesebb standard csillag. Detektoranyag: HgCdTe, InSb (3-5μm), Si:As (N, Q).
Közép infravörös távcsövek ●
●
Hawaii, Chile, Kanári szigetek. Gemini (északi/déli), Keck távcsövek, Subaru, VLT, Gran Telescopio Canarias, MMT. 6 méteresnél nagyobb tükörrel.
●
Legtöbb helyen fotometria és spektroszkópia is.
●
VLT, Keck (+Large Binocular Telescope) interferometriát is tudnak.
MIR célpontok ●
●
Hideg csillagok (pl. barna törpék). Csillag körüli anyag (protoplanetáris korongok, törmelékkorongok, vörös óriás csillagok körüli por).
●
Galaxisok fotometriai, spektroszkópiai vizsgálata.
●
Spektoszkópia: szilikátoknak fontos “vonalai” vannak itt, gázvonalak.
●
Üstökösök, kisbolygók, állatövi fény vizsgálata.
Távoli infravörös detektorok ●
●
●
●
1961, Frank Low kifejleszti az első germánium detektort, ami sokkal érzékenyebb távoli IR hullámhosszakon mint a korábbi detektorok. IR fotonok hatására Ge melegszik, vezetőképessége megváltozik. A változás arányos a beérkező IR sugárzással. Mostanában 100μm alatt – GeGa detektorok, 100μm felett ún. “stressed” (mechanikai feszültség) GeGa detektorok. Alacsony hőmérsékleten működnek jól (kriosztátban, általában folyékony hélium hűtéssel). Herschel PACS fotométere viszont egy bolométer.
Távoli infravörös ●
Földi légkör elnyelése miatt a légkör fölé kell vinnünk az észlelőberendezést!
Lehetséges megoldások I ●
●
60-as években ballonokat használnak, amelyekkel az infravörös távcsöveket 40km magasságba juttatják. 1963-ban egy Ge detektorral megmérik a Mars infravörös sugárzását. 1966-ban a Goddard Institute of Space Sciences 100μm-en felmérik az égboltot (120 fényes objektum). 1967 rakétákkal hűtött infravörös teleszkópokat jutattnak a légkör fölé. Rövid megfigyeléseket lehet csinálni (több repülés során is csak ~Σ30perc mérési idő). Teljes ég térkép 4.2, 11, 20, 27.4μm-en. Összesen 2363 forrás.
Lehetséges megoldások II ●
●
Kuiper Airborne Observatory (KAO). 1974-től működik, C141A repülőgépen egy IR távcső. 13-14km magasságban mér. Felfedezi az Uránusz gyűrűjét és vízet talál a Szaturnusz és Jupiter légkörében. Nagyjából 20 éven keresztül működik. SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy). KAO utódja. Boeing 747, 2.5 méteres távcső.
IRAS ●
●
●
●
Távoli infravörös megfigyelések leginkább űreszközök fedélzetéről hajtható végre. Infrared Astronomical Satellite (IRAS). 1983 januárjában indul el a misszió. USA, UK, Hollandia közös vállalkozása. A tükör 57cm átmérőjű. 62 téglalap formájú detektor. Szuperfolyékony héliummal hűtve a teljes rendszer.
IRAS II ●
●
●
●
●
Földkörüli napszinkron (kvázipoláris) pálya. 12, 25, 60, 100μm-on feltérképezi az égbolt 96%-át. 10 hónap után merül ki a szuperfolyékony hélium. Felbontás 0.5-2 ívperc (12-100μm). SiAs, SiSb, GeGa detektorok. Pontforrás katalógusok (többszázezer forrás) és atlaszok a teljes égről. Low Resolution Spectrometer – fényes forrásokról spektrum (7.523μm, R~20). Chopped Photometer Channel – nem túl sok eredmény.
IRAS III ●
IRAS pontforrás katalógus (PSC): –
Fluxussűrűség – Fν [Jy], Jy = 10-26Wm-2Hz-1.
–
Mérés hibája és minősége (1-es esetén csak felső határ).
IRAS felfedezései, eredményei ●
●
●
●
●
Nagyjából 500000 IR forrás felfedezése (teljes ég katalógusok!). Naprendszer: 6 új üstökös, üstökösök több port bocsátanak ki mint korábban gondolták, 2004 aszteroida IR mérése, porsávok az állatövi fényben. Csillagok, csillagkeletkezés: törmelékkorongok felfedezése, egyéb csillagok körüli korongok vizsgálata, felhőkbe beágyazott protocsillagok, Bok globulák némelyikében protocsillagok, többezer felhőmag felfedezése. Tejútrendszer: Galaxis magjának első vizsgálata, infravörös cirrusz felfedezése. Galaxisok: ~75000 csillagontó galaxis felfedezése (IR-ben nagyon fényesek), kölcsönható galaxisokból erős IR sugárzást detektálnak.
Égi háttér ●
●
●
●
●
Az infravörös égi háttér legfontosabb forrásai a galaktikus cirrusz, az extragalaktikus háttér és Naprendszer kis- és mikroszkópikus égitestjei. Közép infravörösben a legjelentősebb az állatövi emisszió és kisbolygóövek. A távoli infravörösben a cirrusz és az extragalaktikus háttér hasonlóan erős. Konfúziós zaj: bizonytalanság egy forrás fényességének meghatározásában az égi háttér egyenetlenségei miatt. A konfúziós zaj határ abszolút határ. A mérést nem lehet javítani hosszabb integrációs idővel, mint pl. a műszerzaj esetén.
COBE (Cosmic Background Explorer) ●
●
●
NASA misszió, 1989-ben indul. Fő feladat: kozmikus háttérsugárzás infravörös és mikrohullámú tulajdonságainak vizsgálata. A négy éves misszió során a COBE számos IR hullámhosszon térképezi fel az eget. DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment) 1.25 és 240μm között 10 hullámhosszon. A térképek felbontása még az IRAS felbontásánál is rosszabb.
IRTS (Infrared Telescope in Space) ●
Japán misszió, amely 1995 márciusában indul.
●
28 napos működés, ég 7%-át fedik le a mérések.
ISO (Infrared Space Observatory) ●
ESA űrtávcső. 1995 novemberében indul. Az első infravörös obszervatórium (üzemmód).
●
2.5 éves misszió, 1998 áprilisában fogy ki a hélium.
●
60cm-es főtükör.
●
Föld körüli, elliptikus pályán.
ISO műszerei ●
●
Négy műszer: –
ISOCAM - közép-IR kamera, 2.5-17μm, 2 kamera.
–
ISOPHOT - közép és távoli infravörös fotometria,kis felbontású közép-IR spektroszkópia, önmagában sok detektor. 2.5-240μm közötti mérések.
–
SWS – nagyfelbontású spektrumok (R~1000-2000) 2.4-45μm között.
–
LWS – spektrumok R~150-200 v. 6800-9700 felbontással, 43-197μm között. Nagyon fényes források kellenek.
Műszerek érzékenysége, felbontása jobb mint az IRAS detektorainál.
ISO eredményei ●
Infravörös spektroszkópia az űrből!
●
Víz mindenfelé: óriásbolygók légköre, Titan légköre, Orion köd.
●
Hidrogénfluorid molekula felfedezése a csillagközi térben.
●
Szupernova-maradványok vizsgálata.
●
Csillagkeletkezés korai fázisainak vizsgálata.
●
Hale-Bopp üstökös por és gáz anyagának tanulmányozása.
●
●
Ultrafényes Infravörös Galaxisok “meghajtó mechanizmusa”: erőteljes csillagkeletkezés. CII vonal mérése (158μm). A csillagközi anyag hűlésében fontos szerepet játszik.
MSX (Midcourse Space Experiment) ●
●
●
●
1996 április és 1997 február között működik. 33cm-es hűtött tükör. Cél: galaktikus fősík (IbI<5°) felmérése 4.2 és 26μm között hét sávban. Az IRAS által kihagyott területeket is méri. Termékek: pontforrás katalógus + atlaszok.
Hubble űrtávcső - NICMOS ●
●
1997-ben telepítik a NICMOS infravörös kamerát és spektrométert a HST-re. Közeli-IR megfigyelések, korábban nem látott érzékenységgel.
Spitzer űrtávcső ●
●
●
Shuttle Infrared Space Facility (SIRTF), űrrepülőgépeken utazna; –
1979, 83-ban felhívás műszerek készítésére, 90-ben már repülne;
–
1985-ben kiderül: az űrrepülőgép zavarná a méréseket (IRT kísérlet). IRAS sikere alapján már inkább önálló űreszközben gondolkodnak;
Space Infrared Telescope Facility (SIRTF); –
NASA Great Observatories program részeként (Hubble űrtávcső, Chandra, Compton-Gamma Ray Observatory)
–
1994-ben az eredetileg 2.2mrd $ költségvetést levágják 500 millió $-ra, kisebb távcsőben kell gondolkodni
–
Újratervezés során számos olyan mérnöki megoldás, amely hozzájárul a misszió sikeréhez
Néhány halasztás után 2003 augusztus 25-én rajtol; –
5.7 éves “hideg” misszió
–
“warm” misszió, további évek
–
85cm-es főtükör.
Újdonságok: speciális pálya ●
Földkörüli keringés helyett heliocentrikus Föld követő pálya (“Earth trailing”). Évente 0.1 CSE a lemaradás. –
Előnyei: 1) hűtés szempontjából kedvezőbb környezet, Föld “fűtő” hatása elhanyagolható, a sugárzási hűlése a teleszkópnak nagyon hatékony; 2) FöldHold rendszertől eltávolodva a megfigyelések szempontjából kerülendő zónák mérete csökken.
–
Hátránya: adatátvitel problémái (öt év után a távolság 0.62 CSE! A végén már 70mes antenna kell a jel vételéhez)
Újdonságok: kriosztát rendszer ●
●
Korábban az IRAS és az ISO esetében is gyakorlatilag a teljes teleszkóp a kriosztáton belül. “Hidegen” rajtolnak. ISO esetén 2286 liter hélium, ennek egy része még rajt előtt elpárolog (~2.5 éves missziót tesz lehetővé) Spitzer esetén nincs teljes hűtés a rajtnál. A folyékony hélium egy külön vákuumtartályban található, ezt csak az indulás után a pálya bizonyos részénél nyitják meg, ekkor kezdődik a valódi hűtés (~45 nap alatt érik el az üzemi hőmérsékletet). Csak 350 liter héliummal indul!!
Észlelőberendezések ●
●
●
The Infrared Array Camera (IRAC) – PI: Giovanni G. Fazio, Smithsonian Astrophysical Observatory/Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics; The Multiband Imaging Photometer for Spitzer (MIPS) – PI: George H. Rieke, University of Arizona ; The InfraRed Spectrograph (IRS) – PI: James R. Houck, Cornell University;
Észlelőberendezések a fókuszsíkban
Megfigyelési stratégia ●
●
●
●
Egy időben csak egy berendezés van bekapcsolva (csak egy észlel). Berendezések egymást követő kampányokban működnek (7-21 nap hosszú egységek, IRAC/MIPS/IRS sorrendben). A MIPS esetén “meleg” (8.5K) és “cold” (5,5K) kampányok attól függően, hogy kell -e 160μm-es mérés; Standard megfigyelési konfigurációk (Astronomical Observation Template – AOT); 12-24 órás mérési szakasz után a tárolt adatokat (1-6Gb) 0.5-1 óra alatt sugározzák le; Mérési terveket hetente küldik fel;
Archívum ●
Korábban a Leopard szoftverrel lehetett elérni;
●
Leopard szerepét azóta átvette a Spitzer Heritage oldal:
Eredmények ●
●
A Spitzer űrtávcső az egyik legsikeresebb tudományos űrprojekt. A számtalan eredményen, az archívumon és a publikációkon túl ezt még egy dolog jelzi: nagyon sokszor merül fel különböző terveknél, hogy mennyire jól jönne, ha a Spitzernek még minden műszere működne. A távcső persze jelenleg is működik (IRAC 3.6/4.5μm), az ún. “warm” fázisban. Jelenleg a nyolcadik ciklus fut.
AKARI misszió ●
Japán építésű.
●
68.5 cm-es főtükör. Folyékony héliummal hűtött rendszer.
●
●
●
2006 februárban indul, 2007 augusztusában kifogy a hélium. 2011-ig még közeli-IR mérésekre alkalmas. Napszinkron, poláris pálya. Egyfajta szuper-IRAS-t terveztek: jobb felbontással és érzékenységgel, több hullámhosszon (9 és 160μm között) a teljes ég felmérése. Mellette speciális célpontok megfigyelése.
AKARI eredmények ●
●
Elkészültek a pontforrás katalógusok (9, 18, 65, 90, 140, 160μm). Az atlaszok még váratnak magukra.
Herschel űrtávcső ●
●
ESA távcső. 2009 május 14-én indul. 3.6m-es tükör, passzív hűtés. Eddigi legnagyobb űrtávcső.
●
Obszervatórium üzemmód.
●
Tudományos célok:
●
●
●
–
Csillagkeletkezés, fiatal csillagok, por a csillagok körül;
–
Korai (z = 1.. 6) galaxisok vizsgálata;
–
Kis hideg égitestek a Naprendszerben;
–
Óriásbolygók légköre és holdjai.
Észlelési idő megosztása: három egyforma rész – “guranteed time”, “open time key proposals”, “open time proposals”. Várható élettartam: ~ 3 év. Korábbi műszereknél sokkal jobb felbontás, konfúziós zajra kevésbé érzékeny.
Herschel pályája ●
●
●
Herschel a Föld-Hold-Nap rendszer L2 pontjának környezetében dolgozik (halo görbe az L2 pont körül). Sok szempontból sokkal stabilabb hely, mint egy földkörüli (pl. stabilabb sugárzási tér). Minimalizálható a “kóborfény” hatása és stabilizál hőmérséklet biztosítható. Átlagosan 1.5 millió km távolság.
Herschel műszerei ●
●
●
PACS: –
Kamera – bolométer három fotometriai sáv, 70, 100 és 160μm. ”Kék” és “vörös” detektorok (64x32, 32x16 pixel)
–
Spektrométer – Ge:Ga félvezető detektor, 5x5 térbeli pixel, optikai rács. Kék és vörös detektor.
–
Párhuzamos megfigyelés kékben és vörösben.
SPIRE: szubmilliméteres fotométer (250, 350, 500μm) + kis felbontású szubmilliméteres spektrométer. HIFI: nagy felbontású infravörös spektrométer.
Herschel eredmények
WISE misszió ●
A Wide-field Infrared Survey Explorer-t (WISE) 2009 decemberében bocsátották fel.
●
40cm-es tükörrel szerelt űrtávcső, amely 3.4, 4.6, 12 és 22µm-es hullámhossszakon teljes ég felmérést végez.
●
HgCdTe illetve Si:As alapanyagú detektorok.
●
Napszinkron, poláris pályán működik.
●
●
2010 oktoberében fogy el a hűtőanyag (ez esetben szilárd hidrogén). A pontforrás katalógus első (előzetes) verziója 2011 áprilisában jelent meg.
