علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء

علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء هو فرع من فروع علم الفلك، يختص برصد وتحليل الأجرام السماوية باستخدام الأشعة تحت الحمراء . يتراوح طول موجة الأشعة تحت الحمراء بين 0.75 و300 ميكرومتر، ويقع بين الإشعاع المرئي الذي يتراوح طول موجته بين 380 و750 نانومتر ، وموجات الموجات دون المليمترية .

بدأ علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء في ثلاثينيات القرن التاسع عشر، بعد بضعة عقود من اكتشاف ويليام هيرشل للأشعة تحت الحمراء عام ١٨٠٠. ^{[ ١ ]} كان التقدم المبكر محدودًا، ولم يتم رصد الأجرام السماوية الأخرى غير الشمس والقمر بشكل قاطع في نطاق الأشعة تحت الحمراء إلا في أوائل القرن العشرين. بعد عدد من الاكتشافات في علم الفلك الراديوي خلال خمسينيات وستينيات القرن العشرين ، أدرك علماء الفلك المعلومات المتاحة خارج نطاق الطول الموجي المرئي، ومن هنا تأسس علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء الحديث. ^{[ ٢ ]}

غالبًا ما تُمارس علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء وعلم الفلك البصري باستخدام التلسكوبات نفسها ، نظرًا لأن المرايا أو العدسات نفسها عادةً ما تكون فعّالة ضمن نطاق أطوال موجية يشمل الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء. ويستخدم كلا المجالين أيضًا كواشف الحالة الصلبة ، على الرغم من اختلاف نوع كواشف الحالة الصلبة المستخدمة. يمتص بخار الماء في الغلاف الجوي للأرض الأشعة تحت الحمراء عند أطوال موجية متعددة ، لذا فإن معظم تلسكوبات الأشعة تحت الحمراء تُوضع على ارتفاعات عالية في أماكن جافة، فوق أكبر قدر ممكن من الغلاف الجوي. كما وُجدت مراصد للأشعة تحت الحمراء في الفضاء ، بما في ذلك تلسكوب سبيتزر الفضائي ، ومرصد هيرشل الفضائي ، ومؤخرًا تلسكوب جيمس ويب الفضائي . ^{[ 3 ]}

يُنسب اكتشاف الأشعة تحت الحمراء إلى ويليام هيرشل، الذي أجرى تجربة عام 1800 حيث وضع مقياس حرارة في ضوء الشمس بألوان مختلفة بعد مروره عبر منشور . ^{[ 1 ]} لاحظ أن ارتفاع درجة الحرارة الناتج عن ضوء الشمس كان أعلى ما يمكن خارج الطيف المرئي، مباشرةً بعد اللون الأحمر. كان ارتفاع درجة الحرارة عند أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء ناتجًا عن الاستجابة الطيفية للمنشور وليس عن خصائص الشمس، ولكن مجرد وجود أي ارتفاع في درجة الحرارة دفع هيرشل إلى استنتاج وجود إشعاع غير مرئي من الشمس. أطلق على هذا الإشعاع اسم "الأشعة الحرارية"، ثم أثبت أنه يمكن عكسه ونقله وامتصاصه تمامًا مثل الضوء المرئي. ^{[ 1 ]}

بُذلت جهودٌ منذ ثلاثينيات القرن التاسع عشر واستمرت طوال القرن نفسه لرصد الإشعاع تحت الأحمر من مصادر فلكية أخرى. رُصد إشعاع القمر لأول مرة عام ١٨٥٦ على يد تشارلز بيازي سميث ، الفلكي الملكي لاسكتلندا، خلال رحلة استكشافية إلى تينيريفي لاختبار أفكاره حول علم الفلك من قمم الجبال. استخدم إرنست فوكس نيكولز مقياس إشعاع كروكس المُعدَّل في محاولة لرصد الإشعاع تحت الأحمر من نجمي السماك الرامح والنسر الواقع ، لكن نيكولز اعتبر النتائج غير حاسمة. مع ذلك، فإن نسبة التدفق التي سجلها للنجمين تتوافق مع القيمة الحديثة، لذا يُنسب الفضل إلى نيكولز في أول رصد لنجم غير شمسنا في نطاق الأشعة تحت الحمراء. ^{[ ٢ ]}

استمر مجال علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء في التطور ببطء في أوائل القرن العشرين، حيث طور سيث بارنز نيكلسون وإديسون بيتيت كواشف حرارية قادرة على قياس الضوء بالأشعة تحت الحمراء بدقة عالية وحساسة لبضع مئات من النجوم. وقد أُهمل هذا المجال إلى حد كبير من قبل علماء الفلك التقليديين حتى ستينيات القرن العشرين، حيث كان معظم العلماء الذين مارسوا علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء في الأصل فيزيائيين مدربين . وقد شجع نجاح علم الفلك الراديوي خلال خمسينيات وستينيات القرن العشرين، إلى جانب تحسين تكنولوجيا كواشف الأشعة تحت الحمراء ، المزيد من علماء الفلك على الاهتمام به، وأصبح علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء فرعًا راسخًا من فروع علم الفلك. ^{[ 2 ] [ 5 ]}

دخلت التلسكوبات الفضائية العاملة بالأشعة تحت الحمراء الخدمة. وقد أجرت القوات الجوية الأمريكية مسوحات مبكرة للسماء بالأشعة تحت الحمراء باستخدام صواريخ استكشافية . ^{[ 6 ]} وفي عام 1983، أجرى مرصد IRAS مسحًا شاملًا للسماء. وفي عام 1995، أنشأت وكالة الفضاء الأوروبية مرصد الفضاء بالأشعة تحت الحمراء . وقبل نفاد الهيليوم السائل من هذا القمر الصناعي في عام 1998، اكتشف نجومًا أولية وماءً في كوننا (حتى على زحل وأورانوس). ^{[ 7 ]}

في 25 أغسطس/آب 2003، أطلقت وكالة ناسا تلسكوب سبيتزر الفضائي ، المعروف سابقًا باسم مرصد الأشعة تحت الحمراء الفضائي. في عام 2009، نفد الهيليوم السائل من التلسكوب، ففقد قدرته على رصد الأشعة تحت الحمراء البعيدة . كان قد اكتشف نجومًا، وسديم الحلزون المزدوج ، وضوءًا من كواكب خارج المجموعة الشمسية . واستمر في العمل ضمن نطاقي 3.6 و4.5 ميكرومتر. ومنذ ذلك الحين، ساعدت تلسكوبات أخرى تعمل بالأشعة تحت الحمراء في اكتشاف نجوم جديدة في طور التكوين، وسدم، وحاضنات نجمية. لقد فتحت تلسكوبات الأشعة تحت الحمراء آفاقًا جديدة تمامًا أمامنا لاستكشاف جزء من المجرة. كما أنها مفيدة في رصد الأجرام البعيدة جدًا، مثل الكوازارات . تتحرك الكوازارات مبتعدةً عن الأرض، مما يجعل انزياحها الأحمر الكبير هدفًا صعبًا للتلسكوبات البصرية. توفر تلسكوبات الأشعة تحت الحمراء معلومات أكثر بكثير عنها.

في مايو/أيار 2008، أثبت فريق دولي من علماء الفلك المتخصصين في الأشعة تحت الحمراء أن الغبار بين المجرات يُخفت ضوء المجرات البعيدة بشكل كبير. في الواقع، المجرات أكثر سطوعًا بمرتين تقريبًا مما تبدو عليه. يمتص الغبار جزءًا كبيرًا من الضوء المرئي ويعيد إصداره كضوء تحت أحمر.

الإشعاع تحت الأحمر ذو الأطوال الموجية الأطول بقليل من الضوء المرئي، والمعروف باسم الأشعة تحت الحمراء القريبة، يتصرف بطريقة مشابهة جدًا للضوء المرئي، ويمكن رصده باستخدام أجهزة الحالة الصلبة المماثلة (بفضل ذلك، تم اكتشاف العديد من الكوازارات والنجوم والمجرات). لهذا السبب، تُدمج منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة من الطيف عادةً كجزء من الطيف "البصري"، إلى جانب الأشعة فوق البنفسجية القريبة. تعمل العديد من التلسكوبات البصرية ، مثل تلك الموجودة في مرصد كيك ، بكفاءة في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة وكذلك في الأطوال الموجية المرئية. تمتد الأشعة تحت الحمراء البعيدة إلى أطوال موجية دون المليمتر ، والتي تُرصد بواسطة تلسكوبات مثل تلسكوب جيمس كلارك ماكسويل في مرصد مونا كيا .

يستخدم علماء الفلك الأشعة تحت الحمراء، كغيرها من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي ، لدراسة الكون . وقد أثبتت قياسات الأشعة تحت الحمراء التي أجرتها المسوحات الفلكية 2MASS و WISE فعاليتها في الكشف عن تجمعات نجمية لم تكن معروفة من قبل . ^{[ 10 ] [ 11 ]} ومن أمثلة هذه التجمعات النجمية المدمجة: FSR 1424، وFSR 1432، وCamargo 394، وCamargo 399، وMajaess 30، وMajaess 99. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} وتحتاج تلسكوبات الأشعة تحت الحمراء، التي تشمل معظم التلسكوبات البصرية الرئيسية بالإضافة إلى عدد قليل من التلسكوبات المتخصصة في الأشعة تحت الحمراء، إلى التبريد بالنيتروجين السائل وحمايتها من الأجسام الساخنة. والسبب في ذلك هو أن الأجسام التي تبلغ درجة حرارتها بضع مئات من الكلفن تُصدر معظم طاقتها الحرارية بأطوال موجية تحت حمراء. إذا لم تُبرّد أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء، فإن الإشعاع الصادر منها سيُسبب ضوضاءً تفوق بكثير إشعاع أي مصدر سماوي. وهذا الأمر بالغ الأهمية في نطاقي الأشعة تحت الحمراء المتوسطة والبعيدة من الطيف.

لتحقيق دقة زاوية أعلى ، تُدمج بعض التلسكوبات العاملة بالأشعة تحت الحمراء لتشكيل مقاييس تداخل فلكية . وتُحدد الدقة الفعالة لمقياس التداخل بالمسافة بين التلسكوبات، وليس بحجم كل تلسكوب على حدة. وعند استخدامها مع البصريات التكيفية ، تستطيع مقاييس التداخل العاملة بالأشعة تحت الحمراء، مثل تلسكوبين بقطر 10 أمتار في مرصد كيك أو التلسكوبات الأربعة بقطر 8.2 متر التي تُشكل مقياس التداخل التلسكوبي الكبير جدًا ، تحقيق دقة زاوية عالية.

يُعدّ الغلاف الجوي للأرض العامل الرئيسي الذي يحدّ من حساسية التلسكوبات الأرضية للأشعة تحت الحمراء. إذ يمتص بخار الماء كمية كبيرة من هذه الأشعة، كما يُصدر الغلاف الجوي نفسه موجاتٍ بأطوال موجية تحت حمراء. ولهذا السبب، تُبنى معظم تلسكوبات الأشعة تحت الحمراء في أماكن جافة للغاية وعلى ارتفاعات شاهقة، بحيث تكون فوق معظم بخار الماء في الغلاف الجوي. ومن المواقع المناسبة على سطح الأرض مرصد ماونا كيا على ارتفاع 4205 أمتار فوق مستوى سطح البحر، ومرصد بارانال على ارتفاع 2635 مترًا في تشيلي ، ومناطق صحراوية جليدية على ارتفاعات شاهقة مثل دوم سي في القارة القطبية الجنوبية . وحتى على هذه الارتفاعات الشاهقة، تظل شفافية الغلاف الجوي للأرض محدودة باستثناء نطاقات الأشعة تحت الحمراء ، أو الأطوال الموجية التي يكون فيها الغلاف الجوي شفافًا. ^{[ 15 ]} وفيما يلي قائمة بأهم نطاقات الأشعة تحت الحمراء:

كما هو الحال بالنسبة لتلسكوبات الضوء المرئي، يُعدّ الفضاء المكان الأمثل لتلسكوبات الأشعة تحت الحمراء. إذ تتميز هذه التلسكوبات بدقة أعلى، لأنها لا تتأثر بالتشويش الناتج عن الغلاف الجوي للأرض، كما أنها لا تتأثر بامتصاص الأشعة تحت الحمراء الناتج عن الغلاف الجوي. ومن بين تلسكوبات الأشعة تحت الحمراء الموجودة حاليًا في الفضاء: مرصد هيرشل الفضائي ، وتلسكوب سبيتزر الفضائي ، ومستكشف المسح بالأشعة تحت الحمراء واسع المجال، وتلسكوب جيمس ويب الفضائي . ونظرًا لتكلفة وضع التلسكوبات في المدار، توجد أيضًا مراصد محمولة جوًا ، مثل مرصد الستراتوسفير لعلم الفلك بالأشعة تحت الحمراء ، ومرصد كويبر المحمول جوًا . تحلق هذه المراصد فوق معظم طبقات الغلاف الجوي، وليس كلها، حيث يمتص بخار الماء الموجود في الغلاف الجوي جزءًا من الأشعة تحت الحمراء القادمة من الفضاء.

علم SOFIA - بقايا المستعر الأعظم التي تنتج مواد تشكل الكواكب.

تُعدّ مصفوفات كاشفات الأشعة تحت الحمراء من نوع HgCdTe من أكثر أنواع الكاشفات شيوعًا في التلسكوبات البحثية . وتعمل هذه المصفوفات بكفاءة عالية ضمن نطاق أطوال موجية يتراوح بين 0.6 و5 ميكرومتر. أما في حالة رصد الأطوال الموجية الأطول أو للحصول على حساسية أعلى، فيمكن استخدام كواشف أخرى، بما في ذلك كواشف أشباه الموصلات ذات الفجوة الضيقة ، ومصفوفات البولومتر منخفضة الحرارة ، أو مصفوفات وصلات النفق فائقة التوصيل لعدّ الفوتونات .

تشمل المتطلبات الخاصة لعلم الفلك بالأشعة تحت الحمراء ما يلي: تيارات مظلمة منخفضة للغاية للسماح بأوقات تكامل طويلة، ودوائر قراءة منخفضة الضوضاء مرتبطة بها ، وأحيانًا عدد بكسلات مرتفع للغاية.

غالبًا ما يتم تحقيق درجات الحرارة المنخفضة باستخدام سائل تبريد، والذي قد ينفد. ^{[ 16 ]} وقد انتهت مهمات فضائية أو تحولت إلى عمليات رصد "دافئة" عندما نفد مخزون سائل التبريد. ^{[ 16 ]} على سبيل المثال، نفد سائل التبريد من تلسكوب WISE في أكتوبر 2010، بعد حوالي عشرة أشهر من إطلاقه. ^{[ 16 ]} (انظر أيضًا NICMOS ، تلسكوب سبيتزر الفضائي)

• علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء البعيدة
• مطيافية الأشعة تحت الحمراء
• قائمة بأكبر التلسكوبات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء
• حديقة حيوانات راديو جالاكسي

• موقع Cool Cosmos (موقع موارد تعليمية تابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا/مركز معالجة وتحليل الأشعة تحت الحمراء)
• أرشيف علوم الأشعة تحت الحمراء