La astronomía infrarroja es una subdisciplina de la astronomía que se especializa en la observación y el análisis de objetos astronómicos mediante radiación infrarroja (IR). La longitud de onda de la luz infrarroja varía de 0,75 a 300 micrómetros y se encuentra entre la radiación visible , que varía de 380 a 750 nanómetros , y las ondas submilimétricas .
La astronomía infrarroja comenzó en la década de 1830, [ cita requerida ] unas décadas después del descubrimiento de la luz infrarroja por William Herschel en 1800. [1] Los primeros avances fueron limitados y no fue hasta principios del siglo XX que se hicieron detecciones concluyentes de objetos astronómicos distintos del Sol y la Luna en luz infrarroja. [ cita requerida ] 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. [2]
La astronomía infrarroja y óptica se practican a menudo utilizando los mismos telescopios , ya que los mismos espejos o lentes suelen ser efectivos en un rango de longitudes de onda que incluye tanto la luz visible como la infrarroja. Ambos campos también utilizan detectores de estado sólido , aunque el tipo específico de fotodetectores de estado sólido utilizados son diferentes. La luz infrarroja es absorbida en muchas longitudes de onda por el vapor de agua en la atmósfera de la Tierra , por lo que la mayoría de los telescopios infrarrojos se encuentran a grandes elevaciones 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 . [3]
El descubrimiento de la radiación infrarroja se atribuye a William Herschel, quien realizó un experimento en 1800 en el que colocó un termómetro en la luz solar de diferentes colores después de que pasara a través de un prisma . [1] Observó que el aumento de temperatura inducido por la luz solar era mayor fuera del espectro visible, justo más allá del color rojo. El hecho de que el aumento de temperatura fuera mayor en las longitudes de onda infrarrojas se debía a la respuesta espectral del prisma más que a las propiedades del Sol, pero el hecho de que hubiera algún aumento de temperatura impulsó a Herschel a deducir que existía una radiación invisible procedente del Sol. A esta radiación la denominó "rayos caloríficos" y demostró que podía reflejarse, transmitirse y absorberse igual que la luz visible. [1]
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 de la cima de las montañas. Ernest Fox Nichols utilizó 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. [2]
El campo de la astronomía infrarroja continuó 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. Los astrónomos tradicionales descuidaron este campo hasta la década de 1960, ya que 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 los detectores infrarrojos , impulsó a más astrónomos a prestarle atención, y la astronomía infrarroja se estableció como un subcampo de la astronomía. [2] [5]
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 . Antes de que este satélite se quedara sin helio líquido en 1998, descubrió protoestrellas y agua en nuestro universo (incluso en Saturno y Urano). [6]
El 25 de agosto de 2003, la NASA lanzó el telescopio espacial Spitzer , anteriormente conocido como Space Infrared Telescope Facility. En 2009, el telescopio se quedó sin helio líquido y perdió la capacidad de ver en el infrarrojo lejano . Había descubierto estrellas, la Nebulosa de la Doble Hélice y luz de 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 nos han abierto una parte completamente nueva de la galaxia. 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 con un telescopio óptico. Los telescopios infrarrojos brindan mucha más información sobre ellos.
En mayo de 2008, un grupo internacional de astrónomos especializados en infrarrojos 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 reemite como luz infrarroja.
La radiación infrarroja con longitudes de onda apenas más largas que la luz visible, conocida como infrarrojo cercano, se comporta de una manera muy similar a la luz visible y puede detectarse utilizando dispositivos de estado sólido similares (debido a esto, se descubrieron muchos cuásares, estrellas y galaxias). Por esta razón, la región del infrarrojo cercano del espectro se incorpora comúnmente como parte del espectro "óptico", junto con el ultravioleta cercano. Muchos telescopios ópticos , como los del Observatorio Keck , operan eficazmente en el infrarrojo cercano, así como en longitudes de onda visibles. El infrarrojo lejano se extiende a longitudes de onda submilimétricas , que se observan mediante telescopios como el telescopio James Clerk Maxwell en el Observatorio Mauna Kea .
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 eficaces para revelar cúmulos estelares previamente no descubiertos . [9] [10] Ejemplos de tales cúmulos estelares incrustados son FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30 y Majaess 99. [11] [12] [13] Los telescopios infrarrojos, que incluyen la mayoría de los telescopios ópticos principales, así como algunos telescopios infrarrojos dedicados, necesitan ser refrigerados con nitrógeno líquido y protegidos de los objetos cálidos. 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 infrarrojos no se mantuvieran refrigerados, la radiación del propio detector contribuiría a un ruido que eclipsaría la radiación de cualquier fuente celestial. Esto es particularmente importante en las regiones del infrarrojo medio y del 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 determina 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 forman el Interferómetro del Very Large Telescope , pueden lograr una alta resolución angular.
La principal limitación de la sensibilidad infrarroja de los telescopios terrestres es la atmósfera de la Tierra. 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 altitud, de modo que estén por encima de la mayor parte del vapor de agua en 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 desérticas de hielo a gran altitud como Dome C en la Antártida . Incluso a grandes altitudes, la transparencia de la atmósfera de la Tierra es limitada, excepto en las ventanas infrarrojas , o longitudes de onda donde la atmósfera de la Tierra es transparente. [14] Las principales ventanas infrarrojas se enumeran a continuación:
Al igual que ocurre con los telescopios de luz visible, el espacio es el lugar ideal para los telescopios infrarrojos. Los telescopios en el espacio pueden lograr una mayor resolución, ya que no sufren la borrosidad causada por la atmósfera terrestre y también están libres de la absorción infrarroja causada por la atmósfera terrestre. Los telescopios infrarrojos actuales en el espacio incluyen el Observatorio Espacial Herschel , el Telescopio Espacial Spitzer , el Wide-field Infrared Survey Explorer y el Telescopio Espacial James Webb . Dado que poner telescopios en órbita es costoso, también existen observatorios aéreos , como el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja y el Observatorio Aerotransportado Kuiper . Estos observatorios vuelan por encima de la mayor parte, pero no de toda, la atmósfera, y el vapor de agua en la atmósfera absorbe parte de la luz infrarroja del espacio.
Uno de los conjuntos de detectores infrarrojos más comunes que se utilizan en los telescopios de investigación son los conjuntos de HgCdTe . Estos funcionan bien en longitudes de onda entre 0,6 y 5 micrómetros. Para observaciones con longitudes de onda más largas o con una mayor sensibilidad, se pueden utilizar otros detectores, incluidos otros detectores semiconductores de espacio estrecho , conjuntos de bolómetros de baja temperatura o conjuntos de unión túnel superconductores para conteo de fotones .
Los requisitos especiales para la astronomía infrarroja incluyen: corrientes oscuras muy bajas para permitir tiempos de integración largos, circuitos de lectura de bajo ruido asociados y, a veces, recuentos de píxeles muy altos .
La temperatura baja se consigue a menudo con un refrigerante, que puede agotarse. [15] Las misiones espaciales han finalizado o han pasado a observaciones "calientes" cuando se agotó el suministro de refrigerante. [15] Por ejemplo, WISE se quedó sin refrigerante en octubre de 2010, unos diez meses después de su lanzamiento. [15] (Véase también NICMOS , Telescopio Espacial Spitzer)
Muchos telescopios espaciales detectan radiación electromagnética en un rango de longitud de onda que se superpone al menos en cierta medida 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.
Se han utilizado en el espacio ocho telescopios infrarrojos:
Además, SPHEREx es un telescopio cuyo lanzamiento está previsto para 2025. [16] La NASA también está planeando lanzar el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman (NGRST), originalmente conocido como el Telescopio Espacial Infrarrojo de Campo Amplio (WFIRST), en 2027. [17]
En el espacio se han utilizado muchas otras misiones espaciales más pequeñas y detectores espaciales de radiación infrarroja, como 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.
En el caso de muchos telescopios espaciales, solo algunos de los instrumentos son capaces de realizar observaciones infrarrojas. A continuación se enumeran algunos de los observatorios e instrumentos espaciales más destacados:
Se han utilizado tres observatorios a bordo de aviones (ocasionalmente también se han utilizado otros aviones para realizar estudios espaciales en infrarrojos) para estudiar el cielo en infrarrojos. Son:
Existen numerosos telescopios infrarrojos terrestres en todo el mundo. Los más grandes son:
