ستاره‌شناسی فروسرخ

ستاره‌شناسی فروسرخ یا مادون‌قرمز، شاخه‌ای از علم ستاره‌شناسی است که به بررسی موج گسیل شده از اجرام آسمانی در این طیف از امواج الکترومغناطیسی می‌پردازد. بررسی مادون‌قرمزیِ آسمان، ما را با دنیایی از پدیده‌های نجومی جدید آشنا کرده و باعث بررسی دقیق‌تر پدیده‌هایی شده که قبلا صرفا با امواج مرئی مشاهده شده بودند.

امواج الکترومغناطیسی امواجی از جنس میدا‌ن‌های الکتریکی و مغناطیسی هستند که یکدیگر را تولید کرده، در فضا پیش می‌روند و با خود انرژی حمل می‌کنند. این امواج گستره‌ای از انرژی را دربرمی‌گیرند و از انرژی بالا به پایین با اسم‌های مختلفی شناخته می‌شوند. امواج با انرژی کمتر طول موج بلندتری (بسامد یا فرکانس کمتری) دارند. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید انرژی امواج فروسرخ از امواج مرئی (قابل رؤیت برای چشم انسان) کمتر است. خورشید، ستاره‌ها، کهکشان‌ها، سیاره‌ها، سیارک‌ها و هر جرم آسمانی که دمایی بالاتر از صفر درجه کلوین داشته باشد تابش فروسرخ از خود گسیل می‌کند. (ما انسان‌ها امواج فروسرخ را به‌صورت حرارت حس می‌کنیم). این طیف از امواج الکترومغناطیسی در سال 1800 توسط منجم آلمانی ویلیام هرشل کشف شد.

چشم انسان قابلیت دیدن موج مرئی را دارد یا به‌عبارتی آشکارساز امواج مرئی است؛ زیرا حس‌گری حساس به انرژیِ امواج مرئی دارد؛ یعنی هر چیزی که از خود نور مرئی گسیل یا بازتاب کند با چشم انسان قابل تشخیص خواهد بود. به همین شکل می‌توان دستگاهی ساخت که بتواند امواج فروسرخ را آشکار کند. برخی بلورها حس‌گر امواج فروسرخ هستند و با دریافت موج فروسرخ خواص فیزیکی‌شان تغییر می‌کند به همین دلیل تلسکوپ‌هایی به‌منظور بررسی این امواج ساخته شده که از بلورها به‌عنوان حس‌گر فروسرخ استفاده می‌کنند. اما این روش مزایا و معایبی نسبت به دیگر رو‌ش‌ها دارد.

همان‌طور که در تصویر اول مشاهده شد تابش فروسرخ یک گستره از امواج الکترومغناطیس را در برمی‌گیرد؛ اما تمام این گستره قابلیت نفوذ به جو زمین را ندارد لیکن چند نوار طول‌موج یا بسامد محدود با نام «پنجره فروسرخ» وجود دارند که تابش از آن طریق نسبتا به راحتی نفوذ می‌کند. این نوارهای فرکانسی با حروف خاصی نام‌گذاری شده‌اند. (تصویر پنجره‌های فروسرخ). قسمت‌های بنفش همان پنجره‌های فروسرخ و راهی برای نفوذ تابش فروسرخ هستند. این یکی از مشکلاتی‌ است که جو زمین در ستاره‌شناسی مادون قرمز ایجاد می‌کند. در خارج از جو یا در ارتفاعات بالاتر از سطح دریا این پنجره‌ها به‌طور محسوسی باز‌تر می‌شوند.

ازآنجاکه طول‌موج تابش فروسرخ کمتر از تابش مرئی است، لزومی ندارد دقت تلسکوپ‌های آن در حد دقت بالای تلسکوپ‌هایی باشد که در گستره‌ی نور مرئی کار می‌کنند و نور خورشید که توسط جو زمین پراکنده ‌می‌شود اثر نسبتا کمتری بر مشاهدات فروسرخی دارد تا مشاهدات مرئی. از این‌رو ستاره‌شناسان فروسرخ اغلب می‌توانند هم در طول روز و هم در طول شب مشاهدات سودمندی انجام دهند. اهمیت دیگر ستاره‌شناسی مادون قرمز از هزینه‌های نسبتا کمِ آن ناشی می‌شود.

گازهای جو، هم در شب و هم روز از خود تابش فروسرخ گسیل می‌کنند و این تابش، بلورهای حس‌گرهای تلسکوپ را تحت تاثیر قرار می‌دهد؛ به همین دلیل تلسکوپ‌های مربوطه باید در ارتفاع خاصی قرار بگیرند. همین امر باعث شده رصدخانه‌های فروسرخ در ارتفاعات ساخته شوند؛ برای مثال مانوئاکی در جزیره هاوایی با ارتفاع تقریبی 4650 متر، محلی فوق‌العاده برای این کار است. در همین راستا تلسکوپ‌های فروسرخی ساخته شده و به خارج از جو زمین فرستاده می‌شوند برای مثال رصدخانه فضایی هرشل که از سال 2009 تا 2013 در خارج از جو زمین فعال بود. تلسکوپ جیمز وب نیز به این روش رصدی مجهز است. همچنین بلورهای حس‌گر فروسرخ باید در دمای نسبتا پاینی نگه‌داشته شوند تا از حساسیت کافی برای آشکارسازی برخوردار باشند. برای مثال بلور ژرمانیوم با ناخالصی گالیوم نباید دمایش از منفیِ 271 درجه‌ی سانتی‌گراد بالاتر برود.

در سال 1969 فهرستی از 5612 منبع تابشی مادون قرمز جمع‌آوری شد، بررسی این داده‌ها نشان داد که عمده‌ این منابع مادون قرمزی به هیچ جرم مرئی مربوط نمی‌شوند. مطالعات و بررسی‌های فراوان نشان داد که انرژی که از این منابع گسیل می‌شود باید مربوط به ستارگان در‌حال تولد –با گرایش شدید به‌سمت قسمت چپ و بالای نمودار هرتسپرانگ راسل(#پست_علمی_دوم)- باشد که گرد و غبار محیط خود را گرم می‌کنند. درواقع رصد مادون قرمزی باعث کشف ستارگانی می‌شود که هنوز در پیله‌ی ابری مواد اولیه‌شان قرار دارند، موادی که مانع رؤیت مستقیم آن‌ها به‌صورت اجرام مرئی می‌شود.
برخی کهکشان‌ها، مانند کهکشان ام82 در مقایسه با کهکشان راه‌شیری و آندرومدا، تابش قابل ملاحظه‌ای در طیف فروسرخ دارند. رصد فروسرخ تأثیر به‌سزایی در شناخت و بررسی هرچه بیشتر چنین اجرامی دارند.

سیارک‌ها اجسامی کوچکتر از سیارات هستند که در مداری به دور خورشید می‌گردند. مسئله‌ی تعیین قطر سیارک‌ها با روش‌های نوری بسیار دشوار بود زیرا سیارک‌های بزرگ نیز توسط تلسکوپ‌های نوری به شکل یک قرص کوچک دیده می‌شوند؛ اما داده‌های رصدهای مادون قرمز مکمل رصدهای نوری‌اند که با کنار هم گذاشتن تمام داده‌ها می‌توان قطر سیارک‌ها را به‌دست آورد. برای مثال قطر قدیمی سیارک سِرِس 740کیلومتر بود و با توجه به محاسبات مختلف چگالی آن 3 گرم برسانتی‌مترمکعب حساب می‌شد، یعنی چگالیِ نوعی برای سنگ‌های معمولی. اما قطر مادون قرمز آن 1040کیلومتر و در نتیجه‌ی محاسبات دیگر چگالی آن یک گرم برسانتی‌مترمکعب تخمین زده می‌شود؛ یعنی نزدیک به چگالی آب! بنابراین از قطر مادون قرمز چنین برمی‌آید که سرس و دیگر سیارک‌های بزرگ‌تر واقعا توده‌های برفی هستند، نه قطعاتی از سنگ.

گردآوری توسط تیم علمی انجمن نجوم اطلس
نویسنده: مریم حیدری
منابع:
1. «مرزهای فیزیک- ستاره‌شناسی»- فرد هویل و جایانت نارلیکار- ترجمه‌ی بهزاد قهرمان
2. Astronomy: A physical perspective by Marc L.Kutner