Astronomía infrarroja

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 oscila entre 0,75 y 300 micrómetros, y se sitúa entre la radiación visible , que varía entre 380 y 750 nanómetros , y las ondas submilimétricas .

La astronomía infrarroja comenzó en la década de 1830, 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 realizaron detecciones concluyentes de objetos astronómicos distintos del Sol y la Luna en luz infrarroja. Tras varios descubrimientos realizados en las décadas de 1950 y 1960 en radioastronomía , los astrónomos se percataron de la información disponible fuera del rango de longitud de onda visible, y se estableció la astronomía infrarroja moderna. ^{[ 2 ]}

La astronomía infrarroja y la óptica se practican a menudo con los mismos telescopios , ya que los mismos espejos o lentes suelen ser eficaces 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 empleados 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 ubican a gran altitud en lugares secos, lo más por encima posible de la atmósfera. También ha habido observatorios infrarrojos en el espacio , como 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 bajo la luz solar de diferentes colores después de que esta 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 después del color rojo. Que el aumento de temperatura fuera mayor en longitudes de onda infrarrojas se debía a la respuesta espectral del prisma y no a las propiedades del Sol, pero el hecho de que hubiera algún aumento de temperatura llevó a Herschel a deducir que existía radiación invisible proveniente del Sol. La denominó "rayos caloríficos" y demostró que podía reflejarse, transmitirse y absorberse al igual que la luz visible. ^{[ 1 ]}

Desde la década de 1830 hasta el siglo XIX se realizaron esfuerzos para detectar radiación infrarroja proveniente de otras fuentes astronómicas. La radiación de la Luna fue detectada por primera vez en 1856 por Charles Piazzi Smyth , Astrónomo Real de Escocia, durante una expedición a Tenerife para poner a prueba sus ideas sobre la astronomía de montaña. Ernest Fox Nichols utilizó un radiómetro de Crookes modificado en un intento por detectar radiación infrarroja de Arcturus y Vega , pero Nichols consideró que los resultados no eran concluyentes. Aun así, la relación de flujo que reportó para las dos estrellas coincide con el valor moderno, por lo que George Rieke le atribuye a Nichols el mérito de 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 fotometría infrarroja precisa y sensibles a unos pocos cientos de estrellas. Este campo fue mayormente ignorado por los astrónomos tradicionales hasta la década de 1960, y la mayoría de los científicos que practicaban la astronomía infrarroja eran físicos de formación . El éxito de la radioastronomía durante las décadas de 1950 y 1960, junto con la mejora de la tecnología de detectores infrarrojos , impulsó a más astrónomos a prestarle atención, y la astronomía infrarroja se consolidó como un subcampo de la astronomía. ^{[ 2 ] [ 5 ]}

Los telescopios espaciales infrarrojos entraron en servicio. La Fuerza Aérea de los Estados Unidos realizó los primeros estudios del cielo infrarrojo utilizando cohetes sonda . ^{[ 6 ]} 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). ^{[ 7 ]}

El 25 de agosto de 2003, la NASA lanzó el Telescopio Espacial Spitzer , anteriormente conocido como el Telescopio Espacial Infrarrojo. En 2009, el telescopio se quedó sin helio líquido y perdió la capacidad de observar en el infrarrojo lejano . Había descubierto estrellas, la Nebulosa de la Doble Hélice y luz de planetas extrasolares . Continuó funcionando en las bandas de 3,6 y 4,5 micrómetros. Desde entonces, otros telescopios infrarrojos han ayudado 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 objetos extremadamente distantes, como los cuásares . Los cuásares se alejan de la Tierra. El gran desplazamiento al rojo resultante los convierte en objetivos difíciles para un telescopio óptico. Los telescopios infrarrojos proporcionan mucha más información sobre ellos.

En mayo de 2008, un grupo de astrónomos infrarrojos internacionales demostró que el polvo intergaláctico atenúa considerablemente 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 ligeramente mayores que la luz visible, conocida como infrarrojo cercano, se comporta de manera muy similar a la luz visible y puede detectarse utilizando dispositivos de estado sólido similares (gracias 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 tanto en el infrarrojo cercano como en longitudes de onda visibles. El infrarrojo lejano se extiende hasta longitudes de onda submilimétricas , que son observadas por telescopios como el Telescopio James Clerk Maxwell en el Observatorio Mauna Kea .

Como todas las demás formas de radiación electromagnética , el infrarrojo es utilizado por los astrónomos para estudiar el universo . De hecho, las mediciones infrarrojas tomadas por los sondeos astronómicos 2MASS y WISE han sido particularmente efectivas para revelar cúmulos estelares previamente no descubiertos . ^{[ 10 ] [ 11 ]} Ejemplos de tales cúmulos estelares incrustados son FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30 y Majaess 99. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} Los telescopios infrarrojos, que incluyen la mayoría de los principales telescopios ópticos, así como algunos telescopios infrarrojos dedicados, necesitan ser enfriados con nitrógeno líquido y protegidos 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 infrarrojos no se mantuvieran refrigerados, la radiación del propio detector contribuiría con un ruido que empequeñecería la radiación de cualquier fuente celeste. 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 viene determinada por la distancia entre los telescopios, y no por el tamaño de cada uno. Al utilizarse junto con 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 ( VLT), pueden alcanzar una alta resolución angular.

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 altitud, de modo que se encuentran por encima de la mayor parte del vapor de agua de la atmósfera. Entre los lugares adecuados en la Tierra se incluyen el Observatorio de Mauna Kea a 4205 metros sobre el nivel del mar, el Observatorio de Paranal a 2635 metros en Chile y regiones de desierto helado de gran altitud como Dome C en la Antártida . Incluso a grandes altitudes, la transparencia de la atmósfera terrestre es limitada, excepto en las ventanas infrarrojas , o longitudes de onda donde la atmósfera terrestre es transparente. ^{[ 15 ]} 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 espaciales pueden alcanzar una mayor resolución, ya que no sufren la distorsión causada por la atmósfera terrestre ni la absorción infrarroja que esta produce. Entre los telescopios infrarrojos espaciales actuales se encuentran el Observatorio Espacial Herschel , el Telescopio Espacial Spitzer , el Explorador de Sondeo Infrarrojo de Campo Amplio (WIRS) y el Telescopio Espacial James Webb . Dado que colocar telescopios en órbita es costoso, también existen observatorios aerotransportados , como el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja y el Observatorio Aerotransportado Kuiper . Estos observatorios vuelan por encima de la mayor parte de la atmósfera, aunque no de toda, y el vapor de agua atmosférico absorbe parte de la luz infrarroja proveniente del espacio.

Ciencia SOFIA : material eyectado por remanentes de supernova que produce material para la formación de planetas.

Uno de los conjuntos de detectores infrarrojos más comunes utilizados en telescopios de investigación son los de HgCdTe . Estos funcionan bien en longitudes de onda entre 0,6 y 5 micrómetros. Para observaciones en longitudes de onda más largas o para una mayor sensibilidad, se pueden utilizar otros detectores, como detectores semiconductores de banda estrecha , conjuntos de bolómetros de baja temperatura o conjuntos de unión túnel superconductora ( STU) con 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, en ocasiones, un número muy elevado de píxeles .

Las bajas temperaturas suelen lograrse mediante un refrigerante, que puede agotarse. ^{[ 16 ]} Las misiones espaciales han finalizado o pasado a realizar observaciones en condiciones de baja temperatura cuando se ha agotado el suministro de refrigerante. ^{[ 16 ]} Por ejemplo, el telescopio espacial WISE se quedó sin refrigerante en octubre de 2010, aproximadamente diez meses después de su lanzamiento. ^{[ 16 ]} (Véase también NICMOS , Telescopio Espacial Spitzer)

• Astronomía en el infrarrojo lejano
• Espectroscopia infrarroja
• Lista de los telescopios infrarrojos más grandes
• Radio Galaxy Zoo

• Cool Cosmos (sitio web de recursos educativos de Caltech/IPAC IR)
• Archivo de Ciencia Infrarroja