적외선천문학
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1. 개요
적외선 천문학은 전자기파의 일종인 적외선을 이용하여 우주를 연구하는 학문 분야이다. 1800년 윌리엄 허셜에 의해 적외선이 발견된 이후, 20세기 초 열전대 검출기 개발과 전파 천문학의 발전에 힘입어 독립적인 학문으로 자리 잡았다. 적외선 망원경은 은하, 퀘이사, 외계 행성 등을 관측하는 데 유용하며, 1983년 IRAS 위성 발사를 시작으로 스피처 우주 망원경, 제임스 웹 우주 망원경 등 다양한 우주 망원경을 통해 관측이 이루어지고 있다. 적외선은 지구 대기 흡수의 영향을 받기 때문에, 고지대나 우주 공간에서 관측이 주로 이루어진다.
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- 적외선천문학 - 적외선망원경
적외선 망원경은 전자기 스펙트럼의 적외선 영역 빛을 감지하여 천체를 관측하는 망원경으로, 랭글리의 볼로미터 발명 이후 기술이 발전하여 다양한 방식으로 우리 은하 중심 블랙홀, 별의 탄생, 은하 연구 등 우주 관측에 기여하고 있으며 한국에서도 관련 연구가 진행 중이다. - 적외선 - 원적외선
원적외선은 5K에서 340K 사이의 물체에서 방출되는 전자기파로, 천문학 관측, 인체 감지, 난방, 의료 분야 등에서 활용된다. - 적외선 - 흑체
흑체는 모든 전자기파를 흡수하고 반사하지 않는 이상적인 물체로, 열복사 연구를 통해 양자론 탄생에 기여했으며, 실제로는 존재하지 않지만 근사적으로 구현 가능하다. - 관측천문학 - 천정
천정은 관측자의 머리 바로 위 천구상의 점으로, 천정각 측정의 기준 방향으로 사용되며, 태양의 위치, 기블라 관측, 천정 망원경, 천체항해, 그리고 지심 천정과 측지 천정의 구분에 활용된다. - 관측천문학 - 달의 위상
달의 위상은 달이 지구 주위를 공전하면서 태양과의 상대적 위치 변화에 따라 삭, 상현달, 망, 하현달 등의 다양한 형태로 나타나며, 약 29.5일의 주기로 변화하고 달력, 전통 문화 등 다양한 분야에서 활용된다.
| 적외선천문학 | |
|---|---|
| 적외선 천문학 | |
| 학문 분야 | 천문학 |
| 하위 분야 | 전파 천문학, 광학 천문학 |
| 파장 범위 | 적외선 |
| 탐지 방법 | 지상 망원경 항공 망원경 우주 망원경 |
| 역사 | |
| 주요 사건 | 1800년: 윌리엄 허셜의 적외선 발견 1960년대: 지상 적외선 천문학 시작 1983년: IRAS 위성 발사 1990년대: ISO 위성 발사 2003년: 스피처 우주 망원경 발사 2009년: 허셜 우주 망원경 발사 2021년: 제임스 웹 우주 망원경 발사 |
| 관측 대상 | |
| 주요 대상 | 성간 물질 별 형성 영역 원시 행성계 원반 외계 행성 은하 핵 퀘이사 |
| 망원경 | |
| 주요 망원경 | 지상 망원경 항공 망원경 우주 망원경 |
| 예시 | IRAS ISO 스피처 우주 망원경 허셜 우주 망원경 제임스 웹 우주 망원경 |
| 기술 | |
| 주요 기술 | 적외선 검출기 극저온 냉각 기술 대기 보정 기술 |
| 기타 | |
| 관련 분야 | 분광학 전산 천문학 행성 과학 |
2. 역사
적외선 방사의 발견은 1800년 윌리엄 허셜의 실험에서 시작되었다. 그는 프리즘을 통과한 햇빛을 온도계로 측정하는 실험을 통해, 가시광선 영역 바깥, 즉 붉은색 바로 바깥에서 가장 온도가 높다는 것을 발견했다.[1] 이후 1830년대부터 19세기까지 달에서 오는 적외선을 감지하려는 노력이 계속되었다. 1856년에는 찰스 피아치 스미스가 달의 빛에서 적외선을 검출했다.[3]
20세기 초에는 정밀한 적외선 관측 장비가 개발되었고, 1950~60년대에는 전파 천문학의 발전과 함께 적외선 검출기 기술도 향상되면서 적외선 천문학은 천문학의 주요 분야로 자리 잡았다. 이후, IRAS, 적외선 우주 관측소, 스피처 우주 망원경 등 여러 적외선 우주 망원경이 발사되어 관측을 수행했다.
2. 1. 발견
아이작 뉴턴이 프리즘을 사용하여 백색광을 스펙트럼으로 분광할 수 있다는 것을 발견한 후, 1800년에 윌리엄 허셜은 태양광의 파장 중에서 그 빛을 받았을 때 가장 온도가 높은 부분은, 사실 스펙트럼의 적색 쪽 끝을 넘어선 부분이라는 것을 발견했다. 또한, 이 "열선"에서 스펙트럼선이 발견되기도 했다.[1] 허셜은 프리즘을 통과한 햇빛에 온도계를 배치하는 실험을 통해 적외선 방사를 발견했다. 그는 햇빛에 의해 유도된 온도 상승이 가시 스펙트럼 ''밖'', 즉 빨간색 바로 바깥에서 가장 높다는 것을 발견했고, 이를 "열선"이라고 명명했다.[1]1830년대부터 19세기까지 다른 천문학적 근원에서 적외선 방사를 감지하기 위한 노력이 이루어졌다. 1856년에는 찰스 피아치 스미스가 달의 빛에서 적외선을 검출했다.[3] 어니스트 폭스 니콜스는 아르크투루스와 베가에서 적외선 방사를 감지하기 위해 개조된 크룩스 방사계를 사용했지만, 결과를 결정적이지 않다고 판단했다. 그럼에도 불구하고 그가 두 별에 대해 보고한 플럭스 비율은 현대적인 값과 일치하므로 조지 리키는 니콜스에게 적외선에서 우리 태양계 외의 첫 번째 별을 감지한 공로를 인정한다.[3]
2. 2. 발전
20세기 초, 세스 반스 니콜슨과 에디슨 페티트는 수백 개의 별에 대해 정확한 적외선 광도 측정을 할 수 있는 열전대 검출기를 개발했다.[3] 그러나 1960년대까지 대부분의 천문학자들은 적외선 천문학을 무시했으며, 이 분야를 연구하는 과학자들은 주로 물리학자들이었다.[3][4] 1950년대와 1960년대 전파 천문학의 발전과 적외선 검출기 기술의 향상으로 더 많은 천문학자들이 적외선 천문학에 주목하게 되었고, 이는 천문학의 한 분야로 확고히 자리 잡게 되었다.[3][4]
1983년 IRAS 위성은 전천 탐사를 수행했고, 1995년 유럽 우주국은 적외선 우주 관측소를 발사했다. 이 위성은 1998년 액체 헬륨이 고갈되기 전까지 원시별과 물(심지어 토성과 천왕성에서도)을 발견했다.[5]
2003년 8월 25일, NASA는 스피처 우주 망원경(이전 명칭: 우주 적외선 망원경 시설)을 발사했다. 2009년 액체 헬륨 고갈로 원적외선 관측 능력을 상실했지만, 별, 이중 나선 성운, 외계 행성의 빛을 발견하는 등 성과를 거두었다. 이후에도 3.6 및 4.5 마이크로미터 대역에서 계속 작동하며 새로운 별, 성운 등 관측에 기여했다. 적외선 망원경은 은하의 새로운 영역을 관측하고, 퀘이사와 같이 멀리 떨어져 있어 큰 적색편이를 보이는 천체 관측에도 유용하다.
2008년 5월, 국제 적외선 천문학자 그룹은 은하 간 먼지가 먼 은하의 빛을 가려 실제 밝기보다 어둡게 보이게 한다는 사실을 밝혀냈다. 먼지는 가시광선을 흡수하고 적외선으로 재방출한다.
3. 현대 적외선 천문학
가시광선에 가까운 근적외선은 가시광선과 비슷하게 작용하여 비슷한 고체 장치로 감지할 수 있다. 이러한 이유로 근적외선 영역은 근자외선과 함께 "광학" 스펙트럼의 일부로 포함되기도 한다. 켁 천문대와 같은 광학 망원경은 가시광선뿐만 아니라 근적외선에서도 효과적으로 작동한다. 원적외선은 서브밀리미터 파장까지 확장되며, 마우나 케아 천문대의 제임스 클러크 맥스웰 망원경과 같은 망원경으로 관측된다.
대부분의 주요 광학 망원경과 몇몇 전용 적외선 망원경을 포함하는 적외선 망원경은 액체 질소로 냉각하고 따뜻한 물체로부터 차폐해야 한다. 온도가 수백 켈빈인 물체는 대부분의 열 에너지를 적외선 파장으로 방출하기 때문이다. 적외선 감지기를 냉각하지 않으면 감지기 자체의 방사선이 잡음을 발생시킨다. 이것은 중적외선 및 원적외선 영역에서 특히 중요하다.
높은 각분해능을 얻기 위해 일부 적외선 망원경은 결합되어 천문 간섭계를 형성한다. 간섭계의 유효 분해능은 개별 망원경의 크기가 아닌 망원경 간의 거리에 의해 결정된다. 적응 광학과 함께 사용하면 켁 천문대의 10미터 망원경 2대 또는 VLT 간섭계를 구성하는 8.2미터 망원경 4대와 같은 적외선 간섭계가 높은 각분해능을 얻을 수 있다.
지상 기반 망원경의 적외선 감도에 대한 주요 제한 요소는 지구 대기이다. 수증기는 상당한 양의 적외선 복사를 흡수하고 대기 자체는 적외선 파장에서 방출한다. 이러한 이유로 대부분의 적외선 망원경은 해발 고도가 높은 매우 건조한 장소에 건설된다. 지구상의 적합한 위치로는 해발 4205미터의 마우나 케아 천문대, 칠레의 해발 2635미터의 파라날 천문대, 남극 대륙의 돔 C와 같은 고지대 얼음 사막이 있다. 고도가 높은 곳에서도 지구 대기의 투명도는 적외선 창을 제외하고 제한적이다. 주요 적외선 창은 다음과 같다.
| 스펙트럼 | 파장 (마이크로미터) | 천문학적 대역 | 망원경 |
|---|---|---|---|
| 근적외선 | 0.65 ~ 1.0 | R 및 I 대역 | 모든 주요 광학 망원경 |
| 근적외선 | 1.1 ~ 1.4 | J 대역 | 대부분의 주요 광학 망원경과 대부분의 전용 적외선 망원경 |
| 근적외선 | 1.5 ~ 1.8 | H 대역 | 대부분의 주요 광학 망원경과 대부분의 전용 적외선 망원경 |
| 근적외선 | 2.0 ~ 2.4 | K 대역 | 대부분의 주요 광학 망원경과 대부분의 전용 적외선 망원경 |
| 근적외선 | 3.0 ~ 4.0 | L 대역 | 대부분의 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 근적외선 | 4.6 ~ 5.0 | M 대역 | 대부분의 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 중적외선 | 7.5 ~ 14.5 | N 대역 | 대부분의 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 중적외선 | 17 ~ 25 | Q 대역 | 일부 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 원적외선 | 28 ~ 40 | Z 대역 | 일부 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 원적외선 | 330 ~ 370 | 일부 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 | |
| 원적외선 | 450 | 서브밀리미터 | 서브밀리미터 망원경 |
가시광선 망원경의 경우와 마찬가지로 우주는 적외선 망원경에 이상적인 장소이다. 우주에 있는 망원경은 지구 대기로 인한 흐림 현상에 영향을 받지 않고 지구 대기로 인한 적외선 흡수를 받지 않으므로 더 높은 분해능을 얻을 수 있다. 현재 우주에 있는 적외선 망원경으로는 허셜 우주 관측소, 스피처 우주 망원경, 광역 적외선 탐사 위성 및 제임스 웹 우주 망원경이 있다.
망원경을 궤도에 올리는 데 비용이 많이 들기 때문에 항공 관측소, 예를 들어 적외선 천문학을 위한 성층권 관측소 및 카이퍼 항공 관측소와 같은 항공 관측소도 있다. 이러한 관측소는 대부분의 대기 위, 즉 대기 중의 수증기가 우주에서 오는 일부 적외선을 흡수하는 곳에서 비행한다.
3. 1. 중요성
다른 모든 형태의 전자기파와 마찬가지로 적외선은 천문학자들이 우주를 연구하는 데 사용된다. 실제로 2MASS 및 WISE 천문 관측을 통해 얻은 적외선 측정은 이전에 발견되지 않은 성단을 밝혀내는 데 특히 효과적이었다.[8][9] 이러한 성단의 예로는 FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30, Majaess 99가 있다.[10][11][12]오늘날 적외선 천문학은 생성 초기 우주의 상태를 파악하기 위한 은하계의 관측에서 중요한 역할을 하고 있다. 100억 광년을 넘는 것과 같이 멀리 떨어진 천체에서 도달하는 빛은 적색 편이에 의해 적외선 영역까지 파장이 늘어나기 때문이다.
3. 2. 관측 방법
가시광선과 가까운 근적외선은 가시광선과 유사하게 작용하여 비슷한 고체 장치로 감지할 수 있다. 그래서 근적외선 영역은 근자외선과 함께 "광학" 스펙트럼의 일부로 포함되기도 한다. 켁 천문대같은 광학 망원경은 가시광선뿐만 아니라 근적외선에서도 효과적으로 작동한다. 원적외선은 서브밀리미터 파장까지 확장되며, 마우나 케아 천문대의 제임스 클러크 맥스웰 망원경과 같은 망원경으로 관측된다.[13]
적외선은 천문학자들이 우주를 연구하는 데 사용된다. 2MASS 및 WISE 천문 관측을 통해 얻은 적외선 측정은 이전에 발견되지 않은 성단을 밝혀내는 데 특히 효과적이었다.[8][9] 이러한 성단의 예로는 FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30, Majaess 99가 있다.[10][11][12]
대부분의 주요 광학 망원경과 몇몇 전용 적외선 망원경을 포함하는 적외선 망원경은 액체 질소로 냉각하고 따뜻한 물체로부터 차폐해야 한다. 온도가 수백 켈빈인 물체는 대부분의 열 에너지를 적외선 파장으로 방출하기 때문이다. 적외선 감지기를 냉각하지 않으면 감지기 자체의 방사선이 잡음을 발생시킨다. 이것은 중적외선 및 원적외선 영역에서 특히 중요하다.
높은 각분해능을 얻기 위해 일부 적외선 망원경은 결합되어 천문 간섭계를 형성한다. 간섭계의 유효 분해능은 개별 망원경의 크기가 아닌 망원경 간의 거리에 의해 결정된다. 적응 광학과 함께 사용하면 켁 천문대의 10미터 망원경 2대 또는 VLT 간섭계를 구성하는 8.2미터 망원경 4대와 같은 적외선 간섭계가 높은 각분해능을 얻을 수 있다.
지상 기반 망원경의 적외선 감도에 대한 주요 제한 요소는 지구 대기이다. 수증기는 상당한 양의 적외선 복사를 흡수하고 대기 자체는 적외선 파장에서 방출한다. 이러한 이유로 대부분의 적외선 망원경은 해발 고도가 높은 매우 건조한 장소에 건설된다. 지구상의 적합한 위치로는 해발 4205미터의 마우나 케아 천문대, 칠레의 해발 2635미터의 파라날 천문대, 남극 대륙의 돔 C와 같은 고지대 얼음 사막이 있다. 고도가 높은 곳에서도 지구 대기의 투명도는 적외선 창을 제외하고 제한적이다. 주요 적외선 창은 다음과 같다.
| 스펙트럼 | 파장 (마이크로미터) | 천문학적 대역 | 망원경 |
|---|---|---|---|
| 근적외선 | 0.65 ~ 1.0 | R 및 I 대역 | 모든 주요 광학 망원경 |
| 근적외선 | 1.1 ~ 1.4 | J 대역 | 대부분의 주요 광학 망원경과 대부분의 전용 적외선 망원경 |
| 근적외선 | 1.5 ~ 1.8 | H 대역 | 대부분의 주요 광학 망원경과 대부분의 전용 적외선 망원경 |
| 근적외선 | 2.0 ~ 2.4 | K 대역 | 대부분의 주요 광학 망원경과 대부분의 전용 적외선 망원경 |
| 근적외선 | 3.0 ~ 4.0 | L 대역 | 대부분의 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 근적외선 | 4.6 ~ 5.0 | M 대역 | 대부분의 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 중적외선 | 7.5 ~ 14.5 | N 대역 | 대부분의 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 중적외선 | 17 ~ 25 | Q 대역 | 일부 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 원적외선 | 28 ~ 40 | Z 대역 | 일부 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 원적외선 | 330 ~ 370 | 일부 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 | |
| 원적외선 | 450 | 서브밀리미터 | 서브밀리미터 망원경 |
가시광선 망원경의 경우와 마찬가지로 우주는 적외선 망원경에 이상적인 장소이다. 우주에 있는 망원경은 지구 대기로 인한 흐림 현상에 영향을 받지 않고 지구 대기로 인한 적외선 흡수를 받지 않으므로 더 높은 분해능을 얻을 수 있다. 현재 우주에 있는 적외선 망원경으로는 허셜 우주 관측소, 스피처 우주 망원경, 광역 적외선 탐사 위성 및 제임스 웹 우주 망원경이 있다.
망원경을 궤도에 올리는 데 비용이 많이 들기 때문에 항공 관측소, 예를 들어 적외선 천문학을 위한 성층권 관측소 및 카이퍼 항공 관측소와 같은 항공 관측소도 있다. 이러한 관측소는 대부분의 대기 위, 즉 대기 중의 수증기가 우주에서 오는 일부 적외선을 흡수하는 곳에서 비행한다.
3. 3. 관측 장비
근적외선은 가시광선과 매우 유사하게 작용하며, 유사한 고체 장치로 감지할 수 있어 "광학" 스펙트럼의 일부로 포함된다. 광학 망원경은 가시광선뿐만 아니라 근적외선에서도 효과적으로 작동한다. 원적외선은 서브밀리미터 파장까지 확장되며, 마우나 케아 천문대의 제임스 클러크 맥스웰 망원경 등에서 관측된다.[13]
적외선은 천문학자들이 우주를 연구하는 데 사용된다. 2MASS 및 WISE 관측을 통해 얻은 적외선 측정은 이전에 발견되지 않은 성단을 밝혀내는 데 효과적이었다.[8][9]
대부분의 주요 광학 망원경과 일부 전용 적외선 망원경은 액체 질소로 냉각하고 따뜻한 물체로부터 차폐해야 한다. 수백 켈빈 온도의 물체는 대부분의 열 에너지를 적외선 파장으로 방출하기 때문이다. 냉각하지 않으면 감지기 자체 방사선이 잡음을 발생시켜, 중적외선 및 원적외선 영역에서 특히 중요하다.
천문 간섭계를 통해 더 높은 각분해능을 얻을 수 있다. 간섭계의 유효 분해능은 망원경 크기가 아닌 망원경 간 거리에 의해 결정된다. 적응 광학과 함께 사용하면 적외선 간섭계가 높은 각분해능을 얻을 수 있다.
지상 기반 망원경의 적외선 감도 제한 요소는 지구 대기이다. 수증기는 상당량의 적외선 복사를 흡수하고 대기 자체는 적외선 파장에서 방출한다. 대부분 적외선 망원경은 고도가 높고 건조한 장소에 건설된다. 적합한 위치는 마우나 케아 천문대(해발 4205m), 칠레 파라날 천문대(해발 2635m), 남극 대륙 돔 C 등이다. 고도가 높아도 지구 대기 투명도는 적외선 창을 제외하고 제한적이다.[13] 주요 적외선 창은 아래 표와 같다.
| 스펙트럼 | 파장 (마이크로미터) | 천문학적 대역 | 망원경 |
|---|---|---|---|
| 근적외선 | 0.65 ~ 1.0 | R 및 I 대역 | 모든 주요 광학 망원경 |
| 근적외선 | 1.1 ~ 1.4 | J 대역 | 대부분의 주요 광학 망원경과 대부분의 전용 적외선 망원경 |
| 근적외선 | 1.5 ~ 1.8 | H 대역 | 대부분의 주요 광학 망원경과 대부분의 전용 적외선 망원경 |
| 근적외선 | 2.0 ~ 2.4 | K 대역 | 대부분의 주요 광학 망원경과 대부분의 전용 적외선 망원경 |
| 근적외선 | 3.0 ~ 4.0 | L 대역 | 대부분의 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 근적외선 | 4.6 ~ 5.0 | M 대역 | 대부분의 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 중적외선 | 7.5 ~ 14.5 | N 대역 | 대부분의 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 중적외선 | 17 ~ 25 | Q 대역 | 일부 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 원적외선 | 28 ~ 40 | Z 대역 | 일부 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 |
| 원적외선 | 330 ~ 370 | 일부 전용 적외선 망원경 및 일부 광학 망원경 | |
| 원적외선 | 450 | 서브밀리미터 | 서브밀리미터 망원경 |
우주는 적외선 망원경에 이상적인 장소이다. 우주 망원경은 지구 대기로 인한 흐림 현상, 적외선 흡수 영향을 받지 않아 높은 분해능을 얻을 수 있다. 허셜 우주 관측소, 스피처 우주 망원경, 광역 적외선 탐사 위성, 제임스 웹 우주 망원경 등이 현재 우주에 있는 적외선 망원경이다. 망원경 궤도 운용 비용 때문에 항공 관측소도 활용된다.
3. 3. 1. 지상 기반 관측소
전 세계에는 많은 지상 기반 적외선 망원경이 있다. 이 중 가장 큰 망원경은 다음과 같다.오늘날 적외선 천문학은 생성 초기 우주의 상태를 파악하기 위한 은하계 관측에 중요한 역할을 한다. 100억 광년이 넘는 멀리 떨어진 천체에서 오는 빛은 적색 편이 때문에 적외선 영역까지 파장이 늘어나기 때문이다.
근적외선(가시광선에 가까운 적외선)은 가시광선과 매우 비슷하게 움직이므로 가시광선과 같은 전자 장치로 검출할 수 있다. 그래서 근적외선 영역의 스펙트럼은 근자외선과 함께 "가시광선 스펙트럼"의 일부로 취급된다. 광학 망원경 등 가시광선을 다루는 대부분의 과학 실험 장치는 가시광선뿐만 아니라 근적외선도 관측 가능하다. 원적외선은 서브밀리미터파의 파장에 이어지며, 마우나케아 천문대군의 제임스 클러크 맥스웰 망원경(JCMT) 등에서 관측된다.
다른 전자기파와 마찬가지로, 적외선은 천문학자들이 우주를 더 깊이 이해하는 수단이다. 적외선은 기본적으로 열선이므로, 적외선 망원경(몇몇 적외선 전용 망원경뿐만 아니라 주요 광학 망원경 대부분 포함)의 검출기는 외부 열로부터 차폐하고 액체 질소나 액체 헬륨으로 냉각해야 한다. 이는 중적외선 및 원적외선 영역 관측에서 특히 중요하다. 지상 망원경에서 적외선 감도에 큰 영향을 주는 요인은 지구 대기의 수증기이다. 수증기는 우주에서 오는 적외선 방사의 상당 부분을 흡수한다. 따라서 많은 적외선 망원경은 대기 중 수증기가 적은 고지대의 건조한 장소에 건설된다. 지구에서 적외선 관측에 적합한 장소는 해발 4205m의 마우나 케아, 칠레 해발 5000m에 있는 ALMA 건설 장소, 남극 돔 C와 같은 고지대 빙원 등이다.
가장 높은 해상도의 적외선 관측은 지상의 간섭계를 사용하여 수행된다.
3. 3. 2. 항공 관측소
성층권 적외선 천문대(SOFIA)나 카이퍼 항공 천문대와 같은 항공기에 망원경을 탑재하여 성층권과 같은 고고도를 비행하면, 망원경과 관측하는 우주 사이에 존재하는 수증기의 양이 적어져 대기에 의한 적외선 흡수의 영향을 줄일 수 있다.[4] 항공 관측에서 적외선 배경 잡음(노이즈)은 관측하는 영역과 천체가 없는 영역을 번갈아 관측하는 초핑(chopping)이라는 방법을 통해 줄일 수 있다.[4]적외선으로 하늘을 연구하는 데 사용된 세 개의 항공기 기반 관측소는 다음과 같다. (다른 항공기도 적외선 우주 연구를 위해 가끔 사용되었다).[4]
3. 3. 3. 우주 관측소
유럽 우주국(ESA)의 적외선 우주 관측소(ISO)는 1995년부터 1998년까지 운용되었고, 미국(NASA), 영국, 네덜란드의 공동 임무로 1983년에 10개월간 운용된 적외선 천문 위성(IRAS)이 있었다. 탄도 미사일 방어 기구(BMDO)의 중간 경로 우주 실험(MSX)은 1996년부터 1997년까지 운용되었다. NASA의 스피처 우주 망원경은 2003년부터 2020년까지 운용되었다. 우주항공연구개발기구(JAXA)의 아카리는 2006년부터 2011년까지 운용되었다. ESA의 허셜 우주 관측소는 2009년부터 2013년까지 운용되었다. NASA의 광대역 적외선 탐사기(WISE)는 2009년부터 2024년까지 운용되고 있다. NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)은 2022년부터 현재까지 운용 중이다.[15] ESA의 유클리드 망원경은 2023년부터 현재까지 운용 중이다.2003년에 발사된 스피처 우주 망원경, 2006년에 발사된 아카리, 2021년에 발사된 제임스 웹 우주 망원경 등은 적외선 관측 전용 망원경이다.
가장 이상적인 적외선 관측 장소는 우주 공간이다. 지구 대기의 수증기는 우주에서 도달하는 적외선 방사의 많은 부분을 흡수하기 때문에, 우주 망원경은 지구 대기의 영향을 받지 않고 적외선 관측을 수행할 수 있다.
3. 3. 4. 적외선 기기
허블 우주 망원경에는 근적외선 카메라 및 다중 객체 분광기(NICMOS) (1997-1999년, 2002-2008년 운용)와 광역 카메라 3(WFC3) (2009년-현재)이 탑재되어 적외선을 관측한다.[15] NICMOS는 근적외선 관측 장비이며, WFC3는 적외선 영역을 포함하는 광대역 관측 장비이다.4. 적외선 관측 기술
연구용 망원경에서 널리 사용되는 가장 저렴한 적외선 검출기는 텔루르화 카드뮴수은(HgCdTe, MCT) 반도체 어레이이다. 이 장치는 1~5μm의 파장대에서 잘 작동한다. 이보다 긴 파장에서의 관측이나 더 높은 감도로 관측할 경우에는 MCT와는 다른 좁은 밴드갭 반도체 검출기나 저온 볼로미터 어레이, 광자 계수 초전도 터널 접합 어레이 등이 사용된다.
적외선 천문학 관측 장비에는 긴 노출 시간을 가능하게 하는 매우 낮은 암전류, 판독 회로의 낮은 잡음, 그리고 많은 화소수 등의 특별한 사양이 요구된다.
4. 1. 적외선 검출기
연구용 망원경에서 사용되는 가장 일반적인 적외선 검출기 배열 중 하나는 수은 카드뮴 텔루르(HgCdTe) 배열이다. 이들은 0.6에서 5 마이크로미터 파장 사이에서 잘 작동한다. 더 긴 파장 관측 또는 더 높은 감도를 위해 다른 좁은 밴드 갭 반도체 검출기, 저온 볼로미터 배열 또는 광자 계수 초전도 터널 접합 배열을 포함한 다른 검출기가 사용될 수 있다.[14]적외선 천문학의 특별한 요구 사항으로는 긴 적분 시간을 허용하기 위한 매우 낮은 암전류, 관련 저잡음 판독 회로 및 때로는 매우 높은 픽셀 수가 있다.
4. 2. 냉각 시스템
수은 카드뮴 텔루르 (HgCdTe) 배열은 연구용 망원경에서 사용되는 가장 일반적인 적외선 감지기 배열 중 하나이다. 이들은 0.6에서 5 마이크로미터 파장 사이에서 잘 작동한다. 더 긴 파장 관측 또는 더 높은 감도를 위해서는 다른 좁은 밴드 갭 반도체 감지기, 저온 볼로미터 배열 또는 광자 계수 초전도 터널 접합 배열을 포함한 다른 감지기가 사용될 수 있다.적외선 천문학의 특별한 요구 사항으로는 긴 적분 시간을 허용하기 위한 매우 낮은 암전류, 관련 저잡음 판독 회로 및 때로는 매우 높은 픽셀 수가 있다.
저온은 종종 소모되는 냉각제를 사용하여 달성된다.[14] 우주 임무는 냉각제 공급이 소진되면 종료되거나 "따뜻한" 관측으로 전환되었다.[14] 예를 들어, WISE는 2010년 10월에 발사된 지 약 10개월 만에 냉각제가 소진되었다.[14]
4. 3. 기타 기술
적외선 천문학 관측 장비에는 긴 적분 시간을 위한 매우 낮은 암전류, 저잡음 판독 회로, 그리고 높은 픽셀 수 등의 특별한 사양이 요구된다.저온은 종종 소모성 냉각제를 사용하여 달성된다.[14] 우주 임무는 냉각제 공급이 소진되면 종료되거나 "따뜻한" 관측으로 전환되었다.[14] 예를 들어, WISE는 2010년 10월에 발사된 지 약 10개월 만에 냉각제가 소진되었다.[14]
5. 천문학에서 사용되는 적외선 스펙트럼
가시광선보다 약간 긴 파장의 적외선, 즉 근적외선은 가시광선과 매우 유사하게 작용하며, 유사한 고체 장치로 감지할 수 있다. 이러한 이유로 스펙트럼의 근적외선 영역은 근자외선과 함께 "광학" 스펙트럼의 일부로 포함되는 경우가 많다. 켁 천문대의 망원경은 가시광선 파장뿐만 아니라 근적외선에서도 효과적으로 작동한다. 원적외선은 서브밀리미터 파장까지 확장되며, 이는 마우나 케아 천문대의 제임스 클러크 맥스웰 망원경과 같은 망원경으로 관측된다.
다른 모든 형태의 전자기파와 마찬가지로 적외선은 천문학자들이 우주를 연구하는 데 사용된다. 2MASS 및 WISE 천문 관측을 통해 얻은 적외선 측정은 이전에 발견되지 않은 성단을 밝혀내는 데 특히 효과적이었다.[8][9] 이러한 성단의 예로는 FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30, Majaess 99가 있다.[10][11][12]
대부분의 주요 광학 망원경과 몇몇 전용 적외선 망원경을 포함하는 적외선 망원경은 액체 질소로 냉각하고 따뜻한 물체로부터 차폐해야 한다. 온도가 수백 켈빈인 물체는 대부분의 열 에너지를 적외선 파장으로 방출하기 때문이다. 적외선 감지기를 냉각하지 않으면 감지기 자체의 방사선이 천체에서 오는 방사선을 압도하는 잡음을 발생시킨다. 이는 스펙트럼의 중적외선 및 원적외선 영역에서 특히 중요하다.
각분해능을 높이기 위해 일부 적외선 망원경은 결합되어 천문 간섭계를 형성한다. 간섭계의 유효 분해능은 개별 망원경의 크기가 아닌 망원경 간의 거리에 의해 결정된다. 적응 광학과 함께 사용하면 켁 천문대의 10미터 망원경 2대 또는 VLT 간섭계를 구성하는 8.2미터 망원경 4대와 같은 적외선 간섭계가 높은 각분해능을 얻을 수 있다.
지상 기반 망원경의 적외선 감도에 대한 주요 제한 요소는 지구 대기이다. 수증기는 상당한 양의 적외선 복사를 흡수하고 대기 자체는 적외선 파장에서 방출한다. 이 때문에 대부분의 적외선 망원경은 대기 중 수증기 위에 있도록 해발 고도가 높은 건조한 장소에 건설된다. 지구상 적합한 위치로는 해발 4205미터의 마우나 케아 천문대, 칠레 해발 2635미터의 파라날 천문대, 남극 대륙의 돔 C와 같은 고지대 얼음 사막이 있다.
가시광선 망원경과 마찬가지로 우주는 적외선 망원경에 이상적인 장소이다. 우주 망원경은 지구 대기로 인한 흐림 현상에 영향을 받지 않고 지구 대기로 인한 적외선 흡수를 받지 않으므로 더 높은 분해능을 얻을 수 있다. 현재 우주에 있는 적외선 망원경으로는 허셜 우주 관측소, 스피처 우주 망원경, 광역 적외선 탐사 위성, 제임스 웹 우주 망원경이 있다. 망원경을 궤도에 올리는 데 비용이 많이 들기 때문에 항공 관측소, 예를 들어 적외선 천문학을 위한 성층권 관측소, 카이퍼 항공 관측소와 같은 항공 관측소도 있다. 이러한 관측소는 대기 중 수증기가 우주에서 오는 일부 적외선을 흡수하는 곳인 대기 위에서 비행한다.
5. 1. 적외선 창
지상 망원경을 이용한 적외선 천문학 연구는 지구 대기의 흡수가 적은 특정 파장대, 즉 '적외선 창'을 통해서만 가능하다. 주요 적외선 창은 다음과 같다.| 파장역 (μm) | 밴드 | 망원경 |
|---|---|---|
| 0.65 - 1.0 | R, I 밴드 | 모든 주요 광학 망원경 |
| 1.25 | J 밴드 | 대부분의 주요 광학 망원경, 대부분의 적외선 전용 망원경 |
| 1.65 | H 밴드 | 대부분의 주요 광학 망원경, 대부분의 적외선 전용 망원경 |
| 2.2 | K 밴드 | 대부분의 주요 광학 망원경, 대부분의 적외선 전용 망원경 |
| 3.45 | L 밴드 | 대부분의 적외선 전용 망원경, 몇몇 광학 망원경 |
| 4.7 | M 밴드 | 대부분의 적외선 전용 망원경, 몇몇 광학 망원경 |
| 10 | N 밴드 | 대부분의 적외선 전용 망원경, 몇몇 광학 망원경 |
| 20 | Q 밴드 | 몇몇 적외선 전용 망원경, 몇몇 광학 망원경 |
| 450 | 서브밀리미터파 | 서브밀리미터파 망원경 |
이러한 창 사이에는 대기가 해당 파장의 적외선에 대해 불투명하여 지상 관측이 어렵거나 불가능하다. 따라서 적외선 관측은 하와이주의 마우나케아나 칠레의 ALMA와 같이 해발고도가 매우 높은 곳, 또는 성층권 적외선 천문대(SOFIA)처럼 항공기에 탑재하여 이루어진다. 스피처 우주 망원경이나 IRAS, 적외선 우주 천문대(ISO)와 같은 우주 망원경은 대기의 영향을 받지 않아 이러한 창 사이의 영역을 관측하는 데 사용된다.
참조
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President Biden reveals the James Webb Space Telescope's stunning first image
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웹사이트
PUNCH Announces Rideshare with SPHEREx and New Launch Date
https://blogs.nasa.g[...]
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[17]
간행물
NASA Awards Launch Services Contract for Roman Space Telescope
https://www.nasa.gov[...]
2022-07-19
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