Infrarotastronomie

Die Infrarotastronomie untersucht mit der Infrarotstrahlung, die astronomische Objekte aussenden. Diese Strahlung liegt in einem Teil des elektromagnetischen Spektrums, der vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden kann.

Beobachtungsbereich

Der infrarote Strahlungsbereich, auch Wärmestrahlung genannt, liegt zwischen dem optischen (< 700 nm) und dem Submillimeter-Bereich (> 300 μm) und wird in drei Bereiche unterteilt, dem

• Nah-Infrarot (ca. 700 nm - 4 μm)
• Mittel-Infrarot (4-40 μm)
• Fern-Infrarot (40-300 μm),

die genauen Grenzen sowohl des Infrarotbereichs als auch der Teilbereiche variieren jedoch bei verschiedenen Quellen.

Beobachtungsinstrumente

Infrarotstrahlung wird von der Erdatmosphäre sehr stark absorbiert, nur unterhalb 1 μm und in einigen kleinen Fenstern bis etwa 40 μm ist eine Beobachtung mit erdgebundenen Teleskopen möglich (z.B. Mauna-Kea-Observatorium).

Um die Beobachtungsmöglichkeiten zu verbessern, wurden schon seit den 1960ern Infrarotteleskope in hochfliegenden Ballons und ballistischen Forschungsraketen, seit den 1970ern werden auch hochfliegende Flugzeuge (z.B. KAO) und seit den 1980ern vermehrt Satelliten (z.B. IRAS, SST) verwendet.

Die Instrumente der optischen Astronomie können auch in der Infrarotastronomie verwendet werden, sie müssen jedoch stark gekühlt werden. Dies ist notwendig, da die Wärmestrahlung der Instrumente stärker ist als die schwacher astronomischer Strahlungsquellen.

Es werden häufig thermische Detektoren (Bolometer) eingesetzt, die nicht die Strahlung selbst, sondern die durch die Strahlung erzeugte Wärmeenergie im Detektor nachweisen.

Geschichtliche Entwicklung

Nachdem William Herrschel 1800 die Infrarotstrahlung entdeckt hat, konnte Charles Piazzi Smyth 1856 erstmals eine infrarote Komponente im Spektrum des Mondlichts nachweisen. William Coblentz führte ab 1915 Spektraluntersuchungen an 110 Sternen durch und gilt seitdem als Begründer der Infrarotspektroskopie.

1963 wurden mit den ersten Ballonmissionen Infrarotbeobachtungen des Mars durchgeführt und bereits 1967 wurde mit einer Serie von Raketenflügen die erste Infrarotkartierung des gesamten Himmels durchgeführt, hierbei wurden bei einer Gesamtbeobachtungszeit von nur 30 Minuten mehr als 2000 Infrarotquellen entdeckt. Im gleichen Jahr wurde auch das Mauna-Kea-Observatorium gegründet, das auch heute noch die größten Infrarotteleskope beherbergt.

Anfang der 70er Jahre wurde ein militärischer C-141A Transportjet zu einem Infrarotteleskop umgebaut, das ab 1974 als KAO (Kuiper Airborne Observatory) Beobachtungen in 14 km Höhe durchführte.

Der große Durchbruch der Infrarotastronomie kam jedoch in den 80ern mit den ersten Satellitenmissionen. 1983 wurde IRAS (InfraRed Astronomical Satellite) gestartet, mit dem mehr als 500.000 Infrarotquellen detektiert werden konnten. 1989 begann die Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung mit COBE (COsmic Background Explorer) und 1990 wurde ISO (Infrared Space Observatory) gestartet. 1997 folgten 2MASS (Two Micron All-Sky Survey) und die Aufrüstung des Hubble-Teleskops mit NICMOS (Near Infra-Red Camera and Multi-Object Spectrometer), 2003 wurde das derzeit leistungsfähigste Infrarotteleskop SST (Spitzer Space Telescope) gestartet.

Beobachtungsobjekte

Der Schwerpunkt der Infrarotastronomie liegt bei kühlen Objekten (< 1000 K), die sich in anderen Spektralbereichen kaum beobachten lassen. Da IR-Strahlung, im Gegensatz zum optischen Bereich, Staubwolken durchdringt deren Partikelgröße kleiner als die Wellenlänge ist, können auch Objekte in oder hinter diesen Wolken beobachtet werden.

Im Sonnensystem

Zu den kühlen Untersuchungsobjekten in unserem Sonnensystem gehört alles außer der Sonne selbst, von IRAS wurden z.B. einige neue Asteroiden und Kometen sowie drei Staubbänder im Bereich des Asteroidengürtels entdeckt. Neben einem Band in der Ekliptik liegen die beiden anderen 10° über bzw. unter der Ekliptik. Der Staub dieser Bänder ist vermutlich durch Kollissionen innerhalb des Asteroidengürtels entstanden.

In der Milchstraße

Die wichtigsten Untersuchungsobjekte in der Milchstraße sind Sternentstehungsgebiete und das Milchstraßenzentrum, die von dichten Staubwolken umgeben sind, aber es können auch zirkumstellare Staubscheiben und rote Riesenstern beobachtet werden.

Von IRAS wurde auch eine diffuse Infrarotstrahlung und filamentartige Staubwolken entdeckt, die nicht wie die Sterne in der Ebene der Milchstraße konzentriert sind, sondern sich bis in hohe galaktische Breiten ausdehnen.

Außerhalb unserer Milchstraße

Besonders wichtige Objekte sind auch Starburst-Galaxien, die im Gegensatz zur Milchstraße und den meisten anderen Galaxien bis zu 99% ihrer Gesamtleuchtkraft im Fern-Infrarot abstrahlen. Diese Galaxien entstehen durch Kollissionen mit anderen Galaxien und besitzen aufgrund dieser Wechselwirkungen eine sehr hohe Sternentstehungsrate.

Infrarotspektroskopie

Die meisten chemischen Elemente und Verbindungen haben sehr viele Strahlungsübergänge im Infraroten, durch eine genaue Untersuchung dieser Linien erhält man nicht nur Informationen darüber, welche Elemente und Moleküle vorhanden sind, sondern auch über ihre Häufigkeitsverhältnisse. Diese Informationen kann man nur mittels Infrarotastronomie erhalten, da man vor allem komplexere Verbindungen nur in kühleren Umgebungen vorfindet, die im optischen kaum beobachtbar sind.

Zusammenfassung und Ausblick

Seit den 1980ern hat die Infrarotastronomie durch die Satellitenmissionen große Fortschritte zum Verständnis unseres Universums geliefert. Die Planungen der nächsten Jahre umfassen das Flugzeug-Teleskop SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, 2005) und die Satelliten Planck (2007), James Webb Space Telescope (2010) und TPF (Terrestial Planet Finder, 2012), mit dem erstmals die direkte Beobachtung exosolarer Planeten möglich sein könnte.

siehe auch: Portal Astronomie

Weblinks

• Infrarotastronomie
• Infrared Astronomy Tutorial (engl.)