ÉRDEKESSÉGEK AZ INFRAVÖRÖS SUGÁRZÁSRÓL Az infravörös sugárzás felfedezése Mi az infravörös sugárzás? A látható fényhez közeli, a közepes és a látható fénytől távoli infravörös sugárzás (Forrás: a NASA Infravörös Asztrofizikai Adatközpontja) AZ INFRAVÖRÖS SUGÁRZÁS FELFEDEZÉSE A németországi Hannoverben született Sir Frederick William Herschel (1738-1822) zenészként és csillagászként vált ismertté. 1757-ben Angliába emigrált, ahol nővérével, Carolinnal az éjszakai égbolt kutatására szánt távcsöveket készített. Tevékenységük során számos kettős csillagot és csillagködöt katalogizáltak. Herschel talán az Uránusz 1781-ben történt felfedezésével vált leghíresebbé, ami az első új bolygó volt az antik idők óta. 1800-ban Herschel egy másik igen fontos felfedezést tett. Mivel érdekelte, hogy a különböző színű szűrőkön hogyan haladnak át a hősugarak, megfigyelte a Napot és úgy találta, hogy a különböző színű szűrők a hősugarakat különböző mértékben engedik át. Herschel úgy gondolta, hogy a színek önmaguk tartalmazhatnak különböző mértékben hőt, ezért kigondolt egy nagyon ötletes kísérletet hipotézisének tanulmányozására. A spektrum (vagyis a színeire felbontott fény, a szivárvány ) létrehozása céljából a fényt egy üvegprizmán vezette át, és mérte mindegyik fény hőmérsékletét. A jobb hőelnyelés céljából feketére festett tokocskákba zárva három hőmérőt alkalmazott. Az egyik tokot mindegyik színbe, míg a másik kettőt ellenőrzésként a spektrumon kívül 1 helyezte el. Sorban mérve az ibolya, a kék, a zöld, a sárga, a narancs és a vörös szín hőmérsékletét úgy találta, hogy valamennyi szín hőmérséklete magasabb volt, mint az ellenőrző hőmérők által mért érték és a spektrumban az ibolyától a vörös felé haladva a színek hőmérséklete növekszik. 1 Fordítói megjegyzés: az angolban az infra és az ultra egyaránt valamin túl értelmet jelent. Így az infravörös is valóban túl van a vörösön, ha a spektrum ibolya felőli végéről és az ultraibolya is túl van az ibolyán, ha a spektrum vörös felőli végéről nézzük. A magyarban ez logikusabb: a spektrumban balról jobbra haladva az infravörös jön először, tehát ez tulajdonképpen. a vörösön inneni sugárzás, (így is nevezzük, illetve az infravörös kifejezést mi így értelmezzük), míg tovább haladva, ha túl jutunk az ibolyán ott már valóban az ibolyántúli (ultraibolya) tartományba kerülünk. A fordítás a magyar fizikai értelmezést követi.
Ezután elhatározta, hogy megméri a spektrum azon részének a hőmérsékletét, amelyik éppen előtte van a vörösnek, tehát nyilvánvalóan nem tartozik a napfényhez. Meglepődve tapasztalta, hogy ez a terület volt a legmelegebb. Herschel további kísérleteket végzett a spektrum vörösen inneni tartományában az ő elnevezése szerinti kalorikus sugarakkal, és megállapította, hogy azok éppúgy visszaverődnek, megtörnek, elnyelődnek és továbbítódnak, mint a látható fény. Amit Sir William felfedezett, az egy vörösön inneni fény (vagy sugárzás). Később a kalorikus sugarakat infravörös sugaraknak, vagy infravörös sugárzásnak nevezték (ahol az infra előszó az inneni kifejezést jelenti). Herschel felfedezése nemcsak azért volt jelentős, mert elvezetett az infravörös sugárzás felfedezéséhez, hanem azért is, mert ez volt az első eset, hogy valaki a fénynek egy olyan formáját mutatta be, amelyet szemünkkel nem láthatunk. Herschel eredeti prizmája és tükre a londoni Tudományos és Ipari Nemzeti Múzeumban van kiállítva. Napjainkban az infravörös technikának sokféle érdekes és hasznos alkalmazása van. Az infravörös csillagászat új és látványos felfedezéseket tesz az Univerzumban. A gyógyászati infravörös képalkotás egy nagyon hasznos diagnosztikai eszköz. Infravörös kamerákat használnak a rendőrségi és a biztonsági munkában, éppúgy mint a hadászatban. Infravörös képeket használnak épületek hőveszteségének a meghatározásához, és elektronikus készülékek ellenőrzéséhez. Infravörös műholdakat alkalmaznak a földi időjárás megfigyeléséhez, a növényzet tanulmányozására, geológiai kutatásokra és a tengerek hőmérsékletének meghatározására. Hurrikán infravörös képe A 2000. naptári év a 200. évfordulója annak, hogy Sir William Herschel felfedezte az infravörös sugárzást. MI AZ INFRAVÖRÖS SUGÁRZÁS? Az emberi szem tulajdonképpen egy érzékelő eszköz, melynek rendeltetése a látható fényhullámok (vagy másképpen fogalmazva a látható sugárzás) észlelése. A látható fény azon kevés sugárzás egyike, melyek át tudnak hatolni az atmoszférán és a Föld felületén is észlelhetők. Amint az előző Az infravörös sugárzás felfedezése című fejezetben láttuk, az infravörös sugárzás nem látható. Valójában az elektromágneses spektrumnak nevezett sugárzási tartománynak csak egy egészen kis részét vagyunk képesek látni.
Az elektromágneses spektrum: gamma-, röntgen-, ultraibolya-, látható-, infravörös-, és rádió-, sugarak mérete, hullámhossza és frekvenciája Az elektromágneses spektrum gamma, röntgen, ultraibolya, látható, infravörös, sugárzást, mikrohullámokat és rádióhullámokat tartalmaz. A sugárzás ezen típusai között csak hullámhosszukban és frekvenciájukban van különbség. A gamma sugaraktól a rádióhullámok felé haladva a hullámhossz növekszik, a frekvencia pedig (éppúgy, mint az energia és a hőmérséklet) csökken. Mindezen sugárzási formák a fény vákuumbeli sebességével (300 000 km/sec) terjednek. Az űrből jövő látható fény, a rádió- és bizonyos infravörös sugárzás, valamint az ultraibolya sugárzás egy kis része még a Föld felületét is eléri. Szerencsénkre atmoszféránk a többi, többségében veszélyes, sőt a földi életre halálos sugárzásokat kiszűri. Az infravörös sugárzás az elektromágneses spektrum látható és mikrohullámú része között fekszik. Épp ezért az infravörös sugárzás hullámhossza nagyobb, mint a látható fényé és rövidebb, mint a mikrohullámoké, frekvenciája pedig alacsonyabb a látható fényénél és nagyobb a mikrohullámokénál. Az un. közeli infravörös sugárzás az infravörös spektrumnak azt a részét jelöli, amelyik legközelebb van a látható fényhez, míg a távolinak nevezett infravörös sugárzás a mikrohullámú tartományhoz van közel. Az infravörös sugárzás elsődleges forrása a hősugárzás. Bármilyen objektum, amely valamennyire meleg, vagyis hőmérséklete az abszolút nulla fok (azaz -459,6 F, -273,5 C, vagy 0 K) felett van, infravörös sugárzást bocsát ki magából. Tehát még olyan tárgyak is bocsátanak ki infravörös sugárzást, amelyekről tudjuk, hogy nagyon hidegek, mint pl. egy jégkocka. Amikor egy tárgy nem elég meleg (forró) ahhoz hogy látható fényt sugározzon ki, akkor energiájának legnagyobb részét infravörös sugárzás formájában adja le. Például a forró faszén nem ad ki fényt, de infravörösen sugároz, amit hősugárzásként érzékelünk. Minél melegebb egy tárgy, annál több infravörös sugárzást bocsát ki. Az ábrán egy landoló űrsikló infravörös képe van, melyen látható, hogy az alul lévő gumikerekek mennyire felmelegednek a visszatérés során.
Az emberi test a normál hőmérsékletén legerősebben a 10 mikron hullámhosszúságú infravörös tartományban sugároz. (A mikron a csillagászatban használatos mértékegység, a méter egy milliomod része.) A jobb oldali kép egy macska infravörös látványát mutatja. A sárga-fehér területek a legmelegebbek a bíbor színűek a leghidegebbek. Ez a kép egy olyan más jellegű információt ad egy háziállatról, amilyet egy látható fényben készült képtől nem kaphatunk meg. Megjegyzésre érdemes a macska hideg orra és meleg szemei, fülei. Néhány állat az infravörös tartományban is képes látni. Például a viperák fajtájába tartozó kígyók (pl. a csörgőkígyók) érzékelő gödröcskékkel rendelkeznek, melyeket az állat infravörös képek képzésére használ. Ezáltal tud a kígyó melegvérű állatokat felfedezni (még ha azok sötét földalatti üregekben is vannak) az általuk kibocsátott infravörös sugárzást érzékelve. A két érzékelő gödröcskével rendelkező kígyókat az infravörös sugárzásra különösen érzékenynek tekintik. Az infravörös sugárzást mindennap tapasztalhatjuk. Érezzük a napfény, a tűz, a radiátor vagy akár egy forró járda melegét, és ez mind infravörös sugárzás. Bár szemünk ezt nem képes látni, a bőrünkben lévő idegek hőként érzékelik. Bőrünknek ezek a hőérzékeny idegvégződései képesek a belső testhőmérséklet és a külső bőrhőmérséklet közötti különbség érzékelésére. Ugyancsak infravörös sugarakat használunk, amikor a televízió távszabályzóját működtetjük. Még többet tudhatunk meg az infravörös sugárzás mindennapi alkalmazásáról a Világunk más fényben című fejezetből. A LÁTHATÓ FÉNYHEZ KÖZELI, A KÖZEPES ÉS A LÁTHATÓ FÉNYTŐL TÁVOLI INFRAVÖRÖS SUGÁRZÁS Az infravörös sugárzást rendszerint 3 spektrum-tartományba sorolják: a látható fényhez közeli, a közepes és a látható fénytől távoli. A szóban forgó tartományok közötti határvonalakat illetően nincs általános megegyezés, ezért azokat egymástól eltérő módon jelölik meg. Az egyes tartományokba tartozó hullámhosszakat főleg az infravörös sugarak összegyűjtésére alkalmazott érzékelő technológia határozza meg. A (látható fényhez) közeli infravörös sugárzás alapfokú megfigyeléseit a 60-as évek óta végzik. A megfigyelések az 1 mikronnál kisebb hullámhosszúságú látható fény megfigyeléséhez hasonlóan történnek, de 1 mikronnál érzékenyebb speciális infravörös érzékelőket kell használni. A közepes és a (látható fénytől) távoli infravörös sugárzás megfigyelése csak az atmoszféra feletti érzékeléssel történhet. Ezeknél a megfigyeléseknél olyan speciális hűtött kristályokat (pl. germánium kristályokat) tartalmazó érzékelőket kell alkalmazni, melyek villamos ellenállása erősen hőfüggő.
Bármilyen tárgy, aminek valamilyen hőmérséklete (tehát hősugárzása) van, infravörös sugárzást bocsát ki. Így tehát tulajdonképpen minden csillagászati objektumnak is van bizonyos mértékű infravörös sugárzása. Egy objektum sugárzásának hullámhossza legnagyobb mértékben hőmérsékletétől függ. Általában ha egy objektum hőmérséklete hidegebb, az hatásosabban mutatható ki a távolabbi infravörös hullámhosszakkal. Ez azt jelenti, hogy egyes hullámhosszak jobban megfelelnek bizonyos objektumok tanulmányozásához, mint mások. A Lófej Köd látványa a látható fény, a közeli és a közepes infravörös fény tartományban. Amint haladunk a spektrum közeli infravörös tartományából a közepes és a távoli tartományok felé, bizonyos csillagászati objektumok feltűnnek, míg mások pedig eltűnnek látókörünkből. Például a fenti ábrán látható, hogy mennyivel több csillag (általában hidegebb csillag) tűnik fel, amint haladunk a látható fény tartományának megfelelő kép felől a közepes infravörös sugárzású tartományt mutató kép felé. A közepes infravörös tartományban a köd átlátszóvá válik, ezáltal láthatóvá téve a látható fény tartományában általa eltakart objektumokat is. A távoli infravörös tartományú képen maga a hidegebb köd izzik. Az alábbi táblázat megmutatja, hogy mit is látunk a különböző infravörös spektrális tartományokban. SPEKTRUM TARTOMÁNY HULLÁMHOSSZ TARTOMÁNY (mikron) HŐMÉRSÉKLET TARTOMÁNY (Kelvin fok) AMIT LÁTUNK Közeli infravörös sugárzás (0,7-1)-től 5-ig 740-től (3.000-5.200)-ig Kihűlt vörös csillagok Vörös óriások Átlátszó köd Közepes infravörös sugárzás Távoli infravörös sugárzás 5-től (25-40)-ig (25-40)-től (200-350)-ig (92,5-140)-től 740-ig (10,6-18,5)-től (92,5-140)-ig Bolygók, üstökösök és aszteroidák Csillagfény által melegített csillagközi por Bolygóképződmények Hideg ködök kisugárzása Galaxisok központja Nagyon hideg molekuláris felhők
KÖZELI INFRAVÖRÖS SUGÁRZÁS 0,7 és 1,1 mikron hullámhossz között a látható fénynél alkalmazott megfigyelési módszereket használhatjuk, kivéve a szabad szemmel történő megfigyelést. Az ebben a tartományban megfigyelhető infravörös fény nem termikus (nem hősugárzás következtében jön létre). Sokan nem is tekintik ezt a tartományt az infravörös csillagászat részének. 1,1 mikron fölött azonban az infravörös kibocsátás elsősorban hő- vagy melegsugárzás. Amint továbbhaladunk a látható fénytől a hosszabb hullámhosszú fény felé, elérjük az infravörös tartományt. Ha belépünk a közeli infravörös tartományba, a szabad szemmel jól látható nagy hőmérsékletű kék csillagok elhalványulnak, és a hidegebb csillagok válnak láthatóvá. A közeli infravörös tartományban a csillagok közül főleg a nagyméretű vörös óriások és a kistömegű vörös törpék láthatók, valamint ez az a tartomány, ahol a csillagközi köd a legátlátszóbb. A Tejút központjának látványa a látható fény (baloldali ábra Howard McCallon szíves engedélyével) és a közeli infravörös sugárzás tartományában. (A kép a 2MASS 2 mikronos teljes égi térképből származik.) A képeken jól látszik, hogy galaxisunknak a látható fényben a sűrű kozmikus köd által elrejtett központja mennyire átlátható lesz a jobboldali infravörös képen. A látható fényben jól megfigyelhető forró csillagok az infravörös fényben elhalványulnak. A közeli infravörös kép azokat a hidegebb és vörösebb csillagokat mutatja, melyek a látható fényben nem tűnnek fel. Ezek a csillagok főleg vörös törpék és vörös óriások. A vörös óriások olyan vöröses vagy narancsszínű csillagok, melyeknek nukleáris energiája kifogyóban van. Ezek eredeti méretüknek 100-szorosára képesek megnőni és hőmérsékletük 2000-3500 Kelvin fok között van. A vörös óriások a közeli infravörös tartományban sugároznak a legintenzívebben. A vörös törpék a csillagok között a leggyakoribbak. Ezek a mi Napunknál jóval kisebbek, és a csillagok között a leghidegebbek: hőmérsékletük 3000 Kelvin fok, épp ezért ezek a legerősebben a közeli infravörös tartományban sugároznak. Sok ilyen csillag túl halvány a látható fény tartományában ahhoz, hogy optikai távcsövekkel észlelhető lenne. Először a közeli infravörös tartományban fedezték is fel őket.
KÖZEPES INFRAVÖRÖS SUGÁRZÁS Amint belépünk a spektrum közepes infravörös tartományába, a hideg csillagok kezdenek eltűnni és a még hidegebb objektumok úgymint a bolygók, üstökösök és aszteroidák lesznek láthatók. A bolygók fényt nyelnek el a napból és felmelegszenek, majd ezt a meleget infravörös fényként sugározzák ki. Ez különbözik attól a látható fénytől, amit mi, mint a bolygók által visszavert napfényt látunk. Naprendszerünk bolygóinak hőmérséklete 53-573 Kelvin fok között van. Az ebben a tartományban lévő objektumok fényüknek legnagyobb részét a közepes infravörös tartományban bocsátják ki. A Föld például legerősebben a 10 mikron körül hullámhosszon sugároz. A Föld infravörös képe Fényüknek legnagyobb részét az aszteroidák is a közepes infravörös tartományban bocsátják ki, ezáltal ez a hullámhossz-sáv a legalkalmasabb a sötét aszteroidák felderítésére. Az infravörös adatok segítségével lehet meghatározni ezek felületi összetételét és átmérőjüket. A csillagfény által melegített csillagközi porok is a közepes infravörös sugárzás nevezetes objektumai. Példa erre az állatövi por, amelyik naprendszerünk síkjában fekszik. Ez a por szilikátból van (mint a Föld sziklái) és összetevőinek mérete a mikron tizedrészétől a nagy szikladarabok méretéig terjed. A szilikát sugárzásának legnagyobb része 10 mikron hullámhosszúságú. E por eloszlásának a feltérképezése segítséget jelenthet naprendszerünk kialakulásának kutatásában. Az üstökösökből származó por ugyancsak erősen sugároz a közepes infravörös tartományban. Az Araki-Alcock üstökös IRAS-képe a közepes infravörös tartományban Amint belépünk a közepes infravörös tartományba, a meleg csillagközi por világítani kezd. Legfényesebben a csillagok körüli, - az általuk kibocsátott anyagokból álló - por világít ebben a tartományban. Gyakran ez a por olyan sűrű, hogy maga a csillag alig tud átfényleni rajta keresztül és csak infravörös módszerrel fedezhető fel.
Az újonnan alakuló csillagok körüli bolygóképződmények is fényesen világítanak a közepes infravörös tartományban. A bolygóképződményekből várhatóan bolygók kialakulása lehetséges. TÁVOLI INFRAVÖRÖS SUGÁRZÁS A távoli infravörös tartományban a csillagok mind eltűnnek. Helyettük nagyon hideg, (140 Kelvin fok vagy még alacsonyabb hőmérsékletű) anyagot láthatunk. Óriási hideg gáz- és porfelhők izzanak a távoli infravörös fényben a saját és a szomszédos galaxisokban egyaránt. Néhány ilyen felhő nem más, mint kialakulóban lévő új csillag. A távoli infravörös sugárzásban való megfigyelésükkel ezek az előcsillagok már jóval korábban meghatározhatók, még mielőtt az összesűrűsödésük miatti hősugárzásból kifolyólag láthatóvá lettek volna. Csillagfény által melegített Cirrus-köd infravörös IRAS képe. Galaxisunk közepe is fényesen ragyog a távoli infravörös fényben, a csillagközi por alkotta sűrű felhőkbe ágyazódott nagy csillag- koncentráció miatt. Ezek a csillagok felmelegítik a port és emiatt izzanak azok fényesen az infravörös fényben. A mellékelt képen a COBE műhold által galaxisunkról a távoli infravörös fény 60, 100, és 240 mikron hullámhosszúságú részeiből összeállított fotója látható Michael Hauser,a COBE/DIRBE és a NASA engedélyével
Galaxisunk (a Tejút) síkját kivéve, a legfényesebb távoli infravörös objektum az égen az M82 jelű galaxis központi régiója. Az M82 magja egymaga annyi infravörös energiát sugároz ki, mint galaxisunk valamennyi csillagja együttvéve. Ez az energia egy előttünk láthatatlan forrás által melegített porfelhőből jön. A legtöbb galaxis közepe fényesen ragyog a távoli infravörös tartományban. Néhányuk magját sűrű csillagközi porfelhő fedi. Másikak - az ún. szétrobbanó galaxisok -, igen nagyszámú újonnan kialakuló csillagot tartalmaznak, melyek a csillagközi porfelhőket melegítik. Ezek a galaxisok jóval fényesebbek a többinél. Az M31 jelű (az Androméda) galaxis IRAS által készített infravörös képe. Jól megfigyelhető a fényes központi mag.