Iz knijige Astronomija na svim talasima, prof. Miroslava Filipovća, uz njegovu ljubaznu dozvolu, objavljujemo poglavlje:

---

λ_ir= 700 nm – 1 mm

INFRACRVENA ASTRONOMIJA

Prethodni deo

Planete i Sunčev sistem

Sve planete i njihovi sateliti u Sunčevom sistemu izračuju intenzivno infracrveno zračenje. Ovo potiče od toplote iz atmosfera i sa površina planeta, a najjače je u području od 15 do 100 mikrona. Tela Sunčevog sistema takođe odbijaju i infracrveno zračenje sa Sunca. Ono ima maksimum intenziteta u bliskoj infracrvenoj oblasti na talasnoj dužini od oko pola mikrona. Proučavanje infracrvenog zračenja tela Sunčevog sistema obezbedilo je mnoštvo informacija o njihovom sastavu. Ovakvim istraživanjima planeta i satelita planeta utvrđuje se hemijski sastav njihovih atmosfera, zastupljenost pojedinih hemijskih elemenata u njima, a i kako se menja atmosferska temperatura u zavisnosti od dubine određenih slojeva atmosfere. Pored toga, infracrvena astronomija je doprinosila otkrivanju novih kometa, asteroida i pojaseva prašine koji se nalaze u Sunčevom sistemu.

Venera: Sunčevu svetlost koja prolazi kroz atmosferu Venere upija površina planete što dovodi do njenog zagrevanja. Ovo uslovljava da maksimum emisije zračenja Venerine površine leži u infracrvenom delu spektra. Ugljen dioksid u Venerinoj gustoj atmosferi zadržava veliki deo ovog toplotnog zračenja, tako da je temperatura površine Venere dosta visoka, 750 Kelvina. To je sasvim dovoljno da olovo bude istopljeno. Izučavanjem Venerinog infracrvenog spektra utvrđeno je prisustvo kapljica sumporne kiseline u njenoj atmosferi.

Poređenje infracrvenog snimka oblaka u Venerinoj atmosferi (sa leve strane) sa snimkom Venere u vidljivoj svetlosti (desno). Oba snimka načinio je satelit Galileo

Jupiter: Jupiter zrači približno 1.6 puta više toplote u obliku infracrvenog zračenja nego što primi sa Sunca. Ova činjenica ukazuje na to da Jupiter poseduje neki unutrašnji izvor energije. To je verovatno toplota nastala usled sažimanja planete tokom njenog nastanka. Analizom Jupiterovog infracrvenog zračenja saznalo se mnogo toga o strukturi njegovih oblaka. Pojasevi na Jupiteru (tamni horizontalni pojasevi) su sjajniji u infracrvenoj oblasti nego njegove zone (svetli horizontalni pojasevi). To upućuje na zaključak da su tamni pojasevi oblasti vrelog gasa. Temperatura Jupitera takođe raste od spoljašnjosti ka centru., tako da se zone (svetli pojasevi) nalaze na većim visinama nego tamni pojasevi. Na donjoj slici je infracrveni snimak Jupitera i jednog od njegovih satelita, Io koga su načinili Fil Nikolson (sa Kornel univerziteta), Majk Majer (sa UMASS-a) i Gi Vorti (univerzitet Sent Embrouz).

Infracrveni snimci Jupitera i satelita Io. Ovi snimci predstavljaju poređenje izgleda Jupitera na talasnim dužinama od 1.64 µm (talasna dužina na kojoj se može videti odbijena Sunčeva svetlost na oblacima) i 2.26 µm (planeta je tamna jer molekuli metana apsorbuju Sunčevu svetlost. Intenzitet na snimcima proporcionalan je relativnom sjaju. Za vreme dobijanja ovih snimaka na 2.4-m Hiltner teleskopu na Mičigen-Dartmut-MIT opservatoriji, satelit Io prelazio je preko Jupiterovog diska. Io dobro odbija Sunčevu svetlost na obe talasne dužine (1.64 i 2.26 µm), pa je svakako dobar poredbeni objekat za uočavanje veličine zatamnjenja Jupitera na tim talasnim dužinama. Primetimo da se na snimku sa leve strane može videti senka satelita Io na atmosferskim oblacima.

Saturn: Kao i Jupiter, Saturn takođe emituje više zračenja u infracrvenoj oblasti nego što ga prima sa Sunca (oko dva puta). ISO se u poslednje vreme koristi za proučavanje koncentracija teškog i običnog vodonika u atmosferi Saturna. Ova merenja obezbeđuju informacije o sastavu prvobitnog oblaka gasa i prašine od koga je nastao Sunčev sistem. Na HST/NICMOS-ovom infracrvenom snimku Saturna vide se detalji strukture njegovih oblaka.

Izgled Saturna u infracrvenoj oblasti spektra

U čast osme godišnjice Hablovog svemirskog teleskopa podaren nam je lep snimak Saturna odenutog u živopisne boje. Ustvari, ova slika dobijena je zahvaljujući novoj Kameri za blisku infracrvenu oblast spektra i Spektrometru za više objekata (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer, NICMOS). Po prvi put ona je bacila pogled prema Saturnu. Na snimku u veštačkim bojama načinjenom 4. januara 1998. godine prikazano je infracrveno zračenje odbijeno od Saturna. Ovakav snimak sadrži detaljne podatke o oblacima i maglinama u Saturnovoj atmosferi.

Plavom bojom označena je prozračna atmosfera koja se prostire do glavnog sloja oblaka. Različite nijanse plave boje ukazuju na različitosti među česticama oblaka po veličini ili hemijskom sastavu. Pretpostavlja se da su čestice u oblacima amonijačni kristali. Veći deo severne hemisfere koji se da videti iznad prstenova je relativno prozračan. Tamna oblast oko južnog pola u donjem delu snimka ukazuje na postojanje velike rupe u glavnom sloju oblaka. Zelena i žuta boja predstavljaju maglicu koja se nalazi iznad glavnog sloja. Maglica je tanka na mestima predstavljenim zelenom bojom i gusta gde je boja žuta. Veliki deo južne hemisfere (donji deo Saturna) je prilično magličast. Ovi slojevi se poklapaju sa pravcem paralela na Saturnu zbog vetrova koji su aktivni u pravcu istok-zapad.

Crvena i narandžasta boja pokazuju oblake koji dospevaju do visokih delova atmosfere. Oblaci označeni crvenom bojom su nešto viši od onih označenih narandžastom. Najgušći regioni gde se odigravaju dve velike oluje blizu Saturnovog ekvatora prikazani su belom bojom. Na Zemlji oluje u najvišim slojevima oblaka se pojavljuju takođe na tropskim geografskim širinama. Manja oluja sa leve strane otprilike je Zemljinih razmera, a veće oluje su registrovane na Saturnu tokom 1990. i 1994. godine.

Prstenovi sačinjeni od komada leda, beli su kao i snimci leda u vidljivoj svetlosti. Ipak u infracrvenoj oblasti apsorpcija na vodenoj pari uzrokuje pojavu različite obojenosti. Najupečatljivija je braon boja prstena najbližeg Saturnu. Senka prstenova vidljiva je na Saturnovom disku. Sjajna linija vidljiva u ovoj senci je Sunčeva svetlost koja prosijava kroz Kasinijev procep, razmak između dva sjajna prstena. Ova linija najbolje se uočava sa leve strane neposredno iznad prstenova. Ovakav prizor bio je moguć zahvaljujući nesvakidašnjem položaju Saturna i prstenova tokom posmatranja. Pažljivim ispitivanjem senke prstena takođe je utvrđeno da Sunčeva svetlost takođe prosijava i kroz Enkeovu prazninu, tanak razmak koji se nalazi blizu spoljašnjeg ruba sistema prstenova.

Snimljena su i dva Saturnova satelita. Diona sa donje leve strane i Tetis sa gornje desne strane. Na snimku, Tetis tek što je okončao prelaz preko diska Saturna. Sateliti su u različitim bojama, žutoj i zelenoj što ukazuje na različite uslove koji vladaju na njihovim zaleđenim površinama.

Talasne dužine: Snimak u boji dobijen je uzimanjem tri ekspozicije (tj. korišćenjem troslojnog filma). Za snimak u pravim bojama u vidljivoj svetlosti talasne dužine za svaku od ove tri ekspozicije su 0.4, 0.5 i 0.6 mikrometara za plavu, zelenu i crvenu svetlost. Ovaj snimak Saturna načinjen je na većim, infracrvenim talasnim dužinama od 1.0, 1.8 i 2.1 mikrona, koje su predstavljene plavom, zelenom i crvenom bojom. Odbijena Sunčeva svetlost vidljiva je na svim ovim talasnim dužinama, jer Saturn izračuje sopstvenu toplotu samo na talasnim dužinama većim od 4 mikrona.

Titan: 1944. godine Džerard Kajper (Gerard Kuiper) je otkrio da Titan, najveći Saturnov satelit, ima atmosferu. On je registrovao metan u Titanovoj atmosferi proučavanjem njegovog infracrvenog zračenja. 1994. godine, astronomi NASA-e dobili su prve snimke Titanove površine koristeći planetarnu kameru širokog polja montiranu na Hablovom svemirskom teleskopu. Ovi snimci načinjeni su u bliskoj infracrvenoj oblasti zato što infracrveno zračenje može prodreti kroz magličastu atmosferu Titana. Titan je veći od planete Merkur i samo nešto manji od Marsa. Na infracrvenim snimcima titanove površine zapaža se sjajno područje veličine oko 4000 kilometara (praktično veličine Australije).

Asteroidi: Asteroidi su objekti sastavljeni od stenja i metala, a veličina im se kreće od oko nekoliko metara do nekoliko stotina kilometara. Oni kruže oko Sunca i smatra se da predstavljaju materijal preostao tokom formiranja planeta Sunčevog sistema. Najveći broj asteroida skoncentrisan je u asteroidnom pojasu koji leži između orbita Marsa i Jupitera. Postoje takođe i asteroidi čije orbite seku Zemljinu orbitu. Infracrveno zračenje asteroida može biti upotrebljeno da bi se dobile informacije o njihovom položaju, sastavu, karakteristikama rotacije, obliku i veličini. Za vreme IRAS-ove misije otkriveno je preko 400 novih asteroida, a takođe su prikupljeni podaci i za oko 1800 od ranije poznatih.

Komete: Praktično, komete nisu ništa drugo nego prašnjave snežne grudve koje kruže oko Sunca. Sastoje se od ledenog jezgra okruženog velikim oblakom gasa i prašine (nazvanim koma). Koma nastaje tako što se led iz jezgra zagreva i isparava. Komete imaju dva repa, prav gasni rep i zakrivljeni prašinasti. Gasni rep nastaje pod uticajem Sunčevog vetra i samog Sunca čija magnetna polja potiskuju gas iz komete. Magnetna polja ne utiču na prašinu iz kome, ali je ona izbačena pod dejstvom Sunčevog zračenja. Prašina iz repa odbija Sunčevu svetlost i zrači u infracrvenoj oblasti. Infracrveno zračenje kometa može se koristiti za upoznavanje prirode prašine koja se u njima nalazi, kao i za utvrđivanje brzine odvajanja materije od jezgra. Pomoću IRAS-a astronomi su otkrili da kometna prašina ispunjava Sunčev sistem i da komete sadrže mnogo više prašine nego što se ranije pretpostavljalo. Mnogi od meteora koji paraju noćno nebo predstavljaju krupnije čestice kometne prašine. IRAS je bio prva kosmička letelica sa koje je otkrivena nova kometa (kometa IRAS-Araki-Alcock). Sa IRAS-om otkriveno je ukupno 6 novih kometa, a prikupljeni su podaci za 25 prethodno poznatih kometa u infracrvenoj oblasti spektra.

Pojasevi zodijakalne prašine: Pomoću IRAS-a otkriveni su takođe pojasevi koji prolaze kroz Sunčev sistem, a emituju infracrveno zračenje. Oni su nazvani pojasevima zodijakalne prašine i verovatno su to ostaci asteroida koji su pretrpeli sudar. Dva pojasa nalaze se na devet stepeni sa obe strane ekliptike (ravan Zemljine putanje oko Sunca). Orbita po kojoj se kreću krhotine asteroida je nagnuta pod uglom od devet stepeni u odnosu na ekliptiku, a pojasevi nastaju usled zadržavanja čestica u krajnjim tačkama orbite što uslovljava prividni porast njihove gustine u tačkama koje se nalaze na 9 stepeni iznad i ispod ekliptike. Još jedan takav pojas nađen je u samoj ekliptičkoj ravni. Infracrvena emisija ovih pojaseva ukazuje da se njihova temperatura kreće od 165 do 200 Kelvina i da im je udaljenost od Sunca od 2.2 do 3.5 astronomske jedinice (jedna astronomska jedinica je rastojanje od Zemlje do Sunca i iznosi 149 miliona km) što znači da se ovi prašinasti pojasevi nalaze između Marsa i Jupitera u regionu asteroidnog pojasa. IRAS je prikupio dokaze o postojanju ovakvih zodijakalnih prašinastih pojaseva i oko drugih zvezda.

Nastanak zvezda

Mnogi od najinteresantnijih objekata posmatranih u infracrvenom dijapazonu povezani su sa procesima nastajanja zvezda. Zvezde nastaju iz oblaka gasa i prašine koji se sažimaju. Kako se oblak sažima njegova gustina i temperatura rastu. Temperatura i gustina najveće su u središtu oblaka, gde će eventualno nastati nova zvezda. Objekat koji nastaje u središtu oblaka koji se skuplja i koji će postati zvezda naziva se protozvezda. Dok je zvezda utopljena u oblak gasa i prašine gotovo je nemoguće uočiti je u vidljivoj svetlosti. Bilo kakvu vidljivu svetlost koju protozvezda odašilje apsorbuje okolna materija. Tek u mnogo kasnijim fazama razvoja, kada je protozvezda dovoljno topla da može svojim intenzivnim zračenjem da odbaci veliki deo okolne materije, ona se može videti i u vidljivoj svetlosti. Sve do tada protozvezde se moraju posmatrati u infracrvenoj oblasti. Prašina oko protozvezde apsorbuje svetlost koju protozvezda emituje što dovodi do njenog zagrevanja tako da i sama otpočinje da zrači u infracrvenom delu spektra. Proučavanje oblasti nastanka novih zvezda u infracrvenoj oblasti spektra donosi nam nove činjenice o rađanju zvezda, te se samim tim bolje upoznajemo i procese nastanka Sunca i Sunčevog sistema.

Pomoću satelita IRAS izvršena je katalogizacija hiljada toplih, gustih jezgara unutar oblaka gasa i prašine, potencijalnih zvezda u nastajanju. Protozvezde koje otpočinju odbacivanje gasa i prašine koji ih okružuju nazivaju se zvezdama tipa T-Tauri. Preostala topla prašina u okolini T-Tauri zvezda i dalje zrači u infracrvenoj oblasti. Postoje dokazi da preostala prašina i gas oko zvezda tipa T-Tauri obrazuju ravne diskove što može biti početak nastajanja planetarnog sistema. Herbig-Haro objekti, takođe povezani sa zvezdama u nastajanju, isto se mogu proučavati u infracrvenom delu spektra. Ovi objekti su male magline promenljivog oblika i sjaja tokom perioda od svega nekoliko godina. I Herbig-Haro objekti kao i zvezde tipa T-Tauri nalaze se u područjima aktivnog formiranja zvezda. Smatra se da ove magline predstavljaju isticanje gasa velikom brzinom iz mladih zvezda u sudaru sa međuzvezdanim oblacima. Istraživanje T-Tauri zvezda i Herbig-Haro objekata je od pomoći u razumevanju detalja procesa nastanka zvezda.

U regionima nastanka zvezda takođe su zapažene takozvane Bokove kapljice. Ovo su oblačići (prečnika oko jedne svetlosne godine) koji sadrže od 10 do 1.000 Sunčevih masa gasa i prašine. U vidljivoj svetlosti, Bokove kapljice uočene su kao tamni obrisi na sjajnim maglinama. One ne stvaraju nikakvu sopstvenu vidljivu svetlost i pretpostavlja se da bi to mogli biti oblaci u sažimanju iz kojih će nastati nove zvezde. Infracrvena posmatranja sa IRAS-a pokazala su da neke Bokove kapljice sadrže protozvezde. Na primer, objekat sa oznakom Barnard 5 predstavlja Bokovu kapljicu koja sadrži najmanje četiri protozvezde.

Infracrveni snimci dobijeni uz korišćenje adaptivne optike predstavljaju dve zvezde tipa T-Tauri (HL Tauri sa leve strane i UY Aurigae sa desne). Snimak objavljen ljubaznošću Lerda Klouza (Laird Close) iz grupe za adaptivnu optiku Univerziteta Havaja

Zvezde

Mnogo toga novog saznalo se o zvezdama proučavanjem infracrvenog zračenja koje one emituju. Infracrvena posmatranja dovela su do otkrića velikog broja zvezda koje su ili previše hladne da bi se njihova vidljiva svetlost mogla registrovati ili su sakrivene za vidljivu svetlost neprozračnom prašinom. Infracrvenim posmatranjima otkriveno je i nekoliko zvezda oko kojih kruži materija.

Promenljive zvezde tipa Mira najveći deo svoga zračenja emituju upravo u infracrvenom području. Ove zvezde su hladni crveni džinovi koje imaju prečnike oko 700 puta veće od Sunčevog i najzastupljenije među svim ostalim vrstama promenljivih zvezda.

Planete izvan Sunčevog sistema

Osamdesetih godina prošlog veka, korišćenjem podataka koje je prikupio IRAS astronomi su otkrili oko dvadesetak zvezda oko kojih se nalazi prašina koja emituje zračenje u infracrvenoj oblasti spektra. Ovi oblaci prašine prostiru se na udaljenostima i do nekoliko stotina astronomskih jedinica od samih zvezda. Ova otkrića navela su astronome da izvrše detaljnija posmatranja ovih zvezda. Oko tih zvezda pronađeni su ravni diskovi prašine u kojima su nastale ili su mogle nastati nove planete. Ovi pronalasci utrli su put jednoj od najuzbudljivijih oblasti istraživanja u astronomiji danas, traganju za planetama u okolini drugih zvezda. Među proučavanim zvezdama bile su Beta Piktoris, HL Tauri, Vega, Epsilon Eridani i Alfa Piscis Austrinus. Otkriće ovakvih diskova obezbedilo je prvi značajan dokaz da planetarni sistemi mogu postojati i u okolinama drugih zvezda. Nekoliko godina kasnije, 1995., otkriven je kandidat za planetu van Sunčevog sistema veličine Jupitera u okolini zvezde Beta Piktoris.

Novi, detaljni snimak diska u okolini zvezde Beta Piktoris (levo) i tzv. „hula-hop“ oko zvezde HR 4796A. Slika sa leve strane objavljena ljubaznošću J. L. Beuzit-a sa Opservatorija u Grenoblu, ESO. Snimak sa desne strane objavljen ljubaznošću G. Schneider-a (Opservatorija Stjuard (Steward), Univerziteta Arizone) i B. Smith-a (Univerziteta Havaja), NICMOS/IDT.

Na slici sa leve strane nalazi se infracrveni snimak zvezde Beta Piktoris snimljen sa Južne evropske opservatorije. Nepravilnost diska ukazuje na postojanje planete veličine Jupitera u okolini ove zvezde. Takođe ima i dokaza za postojanje kometa koje kruže oko zvezde Beta Piktoris. Sa izuzetkom zvezde Beta Piktoris, ovakvi diskovi materije ne mogu se uočiti u vidljivoj svetlosti. Vidljiva svetlost koja potiče od planete ili diska materije pokrivena je svetlošću same zvezde oko koje kruži. U infracrvenom području gde je sjaj planeta najizraženiji, sjaj zvezde je umanjen što omogućava opažanje planete. Da bi olakšali registrovanje planeta Sunčevog sistema astronomi upotrebljavaju naročite diskove kojima blokiraju svetlost centralne zvezde i tako poboljšavaju posmatranja. Na slici sa desne strane vidi se disk oko zvezde HR 4796A snimljen u infracrvenoj oblasti sa Hablovom NICMOS kamerom. Na ovom snimku jasno se može uočiti oblast gde je odstranjena svetlost zvezde tako da se materija raspoređena u njenoj okolini bolje zapaža.

Veoma uzbudljivi infracrveni kosmički poduhvati u budućnosti kao što su kosmički infracrveni teleskopski uređaj (The Space Infrared Telescope Facility, SIRTF) i Tragač za planetama tipa Zemlje (The Terrestrial Planet Finder, TPF) kao i misije vezane za Zemlju (Kek interferometar) usredsrediće pažnju na otkrivanje i proučavanje planeta izvan Sunčevog sistema.

Prethodni deo * Nastavak

ASTRONOMIJA NA SVIM TALASIMA