Пн–Пт: 09:00–17:00 brom@brom.ua

Космічні пірометри - інфрачервоні телескопи у космосі

універсальний пірометр відмінний інструмент для домашніх і виробничих завдань

Від конвектора до річного сонячного засмаги, від виплавки сталі до рідкого теплоносія, який виходить із опалювального котла - практично скрізь ми стикаємося з потоком невидимих інфрачервоних променів, які сприймаються поверхнею шкіри.

Оскільки контактні датчики підходять далеко не завжди, наприклад з точки зору безпеки (небезпечно наблизитися через високу електричну напругу, велику висоту, важкодоступність), справжніми помічниками стали безконтактні цифрові пірометри - від найпростіших, недорогих, що показують тільки одне значення температури і мають одну-дві настройки, до USB - реєстраторів температурних показників, що передають дані онлайн в ноутбук для формування інформаційного ряду і подальшого аналізу.



 

Але це справи земні, а ми сьогодні поговоримо про космічні. Всесвіт пронизує цілий океан променів: від видимого оптичного діапазону до радіації і інфрачервоного випромінювання.

Космічні пірометри

З оптичним телескопом і підзорної трубою знайомі всі, а от про факт, що ІЧ хвилі, що йдуть з безмежних глибин, давно і успішно використовується для дослідження простору космосу, знають лише шанувальники астрономії.
Перші досліди в цьому напрямку провів ще в середині 18-го століття Чарльс Піаціі Сміт, який зареєстрував вихідне тепло нашого супутника – Місяця.

інфрачервоний телескоп в космосі

Оптичним телескопам дуже важко "дотягнутися" до найвіддаленішої планети сонячної системи – Плутона, перш за все через поглинання світла міжзоряним воднем і тільки інфрачервоне випромінювання дає рідкісну можливість розшукати в глибинах космосу чорні діри, ядра галактик, екзопланети, зірки, тепло від деяких з них проходить шлях в мільярди світлових років зі швидкістю світла.
Але для виявлення найдавніших галактик, сформованих після Великого вибуху, оптика не допоможе.

Необхідний інфрачервоний телескоп, здатний збирати слабке теплове випромінювання з віддалених куточків простору.

Але провести точне вимірювання температури в астрономічних масштабах не так просто. Витягнути руку, стоячи на землі, затиснувши в руці пірометр, не вийде. Чутливості не вистачить.
Перш за все, чому інфрачервоний телескоп поміщається на орбіті ?


Втім, є і земні ІЧ-телескопи, але розташовані в гірських масивах на висоті кілька кілометрів над рівнем моря з прозорою атмосферою.

Інші телескопи встановлюються на літаках, що піднімаються ще вище.

Все хитрощі, технологічно реалізовані вельми не просто, підпорядковані єдиній меті – "обійти” вплив атмосфери.

Повітряний океан, блакитним серпанком обволікає нашу рідну планету, створює бар'єр на шляху, який складно здолати, тому що він не пропускає теплові промені, точніше значно послаблює їх.

На землі, інфрачервоний телескоп отримає спотворену змащену картинку через поглинання земною атмосферою частини спектра електромагнітного випромінювання, який "відповідає за температуру" і доводиться виводити "космічний пірометр" на орбіту, причому навіть не на навколоземну, а на навколосоняшну, розташовуючи в особливих точках, де сонячна радіація не заважає спостереженням.

 

Датчик температури перших моделей телескопів був напрочуд простий і складався з смужки фольги, через яку пропускався електричний струм. Закон Ома працює і тут


Теплове випромінювання з обраної ділянки, потрапляючи на сенсор, нагріває його, змінює опір, а значить змінюється електричний струм. Направляючи інфрачервоний датчик на ділянки неба, можна поступово побудувати теплову карту розподілу температури, аналізуючи теплове випромінювання віддалених астрономічних об'єктів, що йде з космічного простору.

Але за уявною простотою, для розробки космічних пірометрів вимагаються радикальні і досить складно здійсненні конструкторські рішення.

Проблема в тому, що тепловий потік, що йде через безкрайній космічний простір, може бути з такою мізерною енергією, що здатний нагріти датчик температури всього лише до кількох кельвінів. І якщо телескоп не охолодити, то такий потрібний астрономам сигнал буквально потоне в теплових шумах планет, сусідніх галактик і самого приладу.

Як вирішується це завдання, розглянемо на прикладі інфрачервоного телескопа Spitzer.

Щоб уникнути паразитного теплового випромінювання, і досліджувати електромагнітний спектр в ІЧ діапазоні, датчик температури охолоджується рідким гелієм майже до мінус 273 (всього +2 ~+3 градуси за шкалою Кельвіна!).

Без такого “морозу”, телескоп не виправдає покладених на нього надій і сотень мільйонів доларів платників податків.

До речі на момент запуску, вважалося, що датчик інфрачервоного випромінювання телескопа Spitzer був найхолоднішим об'єктом у Всесвіті ! Ось як. Такий колосальний всесвіт, а рекордсмен цілком земний, нехай і розташований далеко на орбіті.
Серед характеристик телескопів, відзначимо діапазон довжин хвиль 3-180 мкм. Як ми бачимо, вимір температури проводиться в довгохвильовій частині спектра діапазону.

Чому саме довгохвильові інфрачервоні промені цікавлять астрономів?

Дальнє інфрачервоне випромінювання в ІЧ телескопі

Чим вище температура, тим більше частота коливань атомів і менше довжина хвилі.

Для холодних космічних об'єктів, довжини хвиль збільшуються, далеке інфрачервоне випромінювання холодне, і температурний сенсор повинен бути налаштований на довгохвильову частину спектру.

Супер охолоджений датчик надав унікальну можливість відобразити барвисті, гідні пера художника, теплові карти ділянок неба, недоступні астрономам з наземними оптичними телескопами.

Ось одна з картин, отриманих інфрачервоним телескопом Spitzer.

  1. Блакитний колір – спектральна лінія 3,6 мкм.
  2. Зелений колір – 4,5 мкм.
  3. Помаранчевий – 5,8 мкм.

Назви кольорів досить умовні. Астрономічні джерела інфрачервоного випромінювання не мають кольору, а візуальне сприйняття забезпечує цифрова електроніка телескопа, і програми для обробки результатів.

Ми привели це творіння космічного мистецтва, щоб звернути увагу ще на одну важливу характеристику – спектральні лінії теплового випромінювання, точніше довжини хвиль, на яких вимірюються температуру. У паспорті переважної більшості "земних пірометрів" цей показник становить 8-14 мкм.

вчений Гершель

Цікаво, що один з ІЧ телескопів носить ім'я вченого, який знайшов ще два століття тому, при дослідженні властивості спектра електромагнітного випромінювання, що інфрачервоні хвилі здатні нагрівати тіла.

Йдеться про телескоп Herschel Space Observatory, який названий на ім'я астронома Вільяма Гершеля, оскільки саме він, а не фізик, вважається першовідкривачем інфрачервоного випромінювання.

Вчений “розклав” спектр сонячного світла на складові - полички, в залежності від частоти, за допомогою світлофільтрів, що і дозволило йому зробити відкриття.
Було виявлено, що поблизу червоної частини спектра, нагрів найсильніший.

Це і було невидиме інфрачервоне тепло, навколо якого і виросла ціла наука – пірометрія, а з кожним роком ІЧ пірометри досягають все більше вражаючих характеристик.
З висоти сьогоднішнього науки, експеримент здається простим, і при загальному доступі до покупок в інтернет-магазинах світлофільтрів, вимірювачів температури, та практично всього, його цілком можна повторити самостійно.
Але для свого часу, відкриття було революційним, хоча до тих пір, поки з'явилися звичні нам "ручні" компактні пірометри, повинні були пройти століття…
Щоб відстежити тепло, що йде від віддалених космічних об'єктів, ІЧ датчик телескопа, повинен розрізняти градації температури в мільйонні частки градуса. Критично важливо не втратити жоден квант енергії.

найпотужніший телескоп збирає ІЧ промені в космосі Джеймс Вебб

За збір теплового випромінювання в телескопі "відповідає" фокусуюче дзеркало, с кожним наступним поколінням, все більше збільшуючись в розмірах.
Новітній інфрачервоний телескоп Джеймс Вебб, оснащений дзеркалом розміром в 6,5 метрів (площа 25 м²), збирає інфрачервоне тепло, що пройшло через мільярди світлових років. Епопея цього високотехнологічного пристрою почалася ще в далекому 2002 році і лише в 2021-му, Джеймс Уебб виходить як то кажуть на фінішну пряму. Початковий бюджет до речі збільшився з 0,5 до 10 млрд. доларів. Через надзвичайні технологічні складнощі, запуск планували спочатку на 2007, потім 2011, потім 2018... Зараз встановлена чергова дата - 31.10.2021 (космодром Куру у французькій Гвінеї). Вчені сподіваються, щоб це буде гідний наступник свого застарілого попередника - Хаббла і зможе зібрати цінні дані про найдавніші і холодні об'єкти Всесвіту.