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1、第六章 天体的红外观测第六章 天体的红外观测 http:/coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_ classroom/ir_tutorial/index.html/ 天体的红外观测在近代天体物理 研究中正在发挥着越来越重要的作 用，有人认为，未来天体物理的重 大发现，很可能在射电和红外波段 （包括亚毫米波）。 天体的红外观测在近代天体物理 研究中正在发挥着越来越重要的作 用，有人认为，未来天体物理的重 大发现，很可能在射电和红外波段 （包括亚毫米波）。 6.1 红外天文观测的意义和特点红外天文观测的意义和特点 红外波段红外波段是位于可见光和亚毫米波，射电波段之间
2、，红外 辐射的波长范围为： 是位于可见光和亚毫米波，射电波段之间，红外 辐射的波长范围为： 770nm(200-350)m, 亚毫米波：亚毫米波： (200-350) m 1mm 红外波段又可分为：红外波段又可分为：对应温度范围对应温度范围(K)WHAT WE SEE 近红外近红外： (0.7-1) to 5 ; 740 to (3,000-5,200) Cooler red stars Red giants Dust is transparent 中红外中红外： 5 to (25-40); (92.5-140) to 740 Planets, comets and asteroids Dus
3、t warmed by starlight Protoplanetary disks 远红外远红外 (25-40) to (200-350); (10.6-18.5) to (92.5-140) Emission from cold dust Central regions of galaxies Very cold molecular clouds 6.1.1 红外天文发展简史：红外天文发展简史： 红外观测最早可追溯到红外观测最早可追溯到19世纪初，世纪初， 1800年英国天文学家赫歇尔年英国天文学家赫歇尔 (W.Herschel) 用棱镜和温度计观测到 太阳的红外辐射， 用棱镜和温度计观测
4、到 太阳的红外辐射， blue: 80 yellow: 83infrared: 86 F Warm-Blooded vs. Cold-Blooded IR Astronomy Infrared Astronomy is the detection and study of the infrared radiation (heat energy) emitted from objects in the Universe. All objects emit infrared radiation. So, Infrared Astronomy involves the study of just a
5、bout everything in the Universe. In the field of astronomy, the infrared region lies within the range of sensitivity of infrared detectors, which is between wavelengths of about 1 and 300 microns. The human eye detects only 1% of light at 0.69 microns, and 0.01% at 0.75 microns, and so effectively c
6、annot see wavelengths longer than about 0.75 microns unless the light source is extremely bright. The contellation Orion as you go from a visible to an infrared view 但对天体红外辐射进行认真的研究，是从但对天体红外辐射进行认真的研究，是从20世纪初才世纪初才 开始的。美国天文学家对行星和亮的恒星进行红外的观开始的。美国天文学家对行星和亮的恒星进行红外的观 测，测，1949年前苏联在近红外的成像观测中，发现银河中年前苏联在近红外的成
7、像观测中，发现银河中 心方向人马座附近的一个红外星云，这在以前的光学观心方向人马座附近的一个红外星云，这在以前的光学观 测是看不到的，这主要是银心方向的星际消光，可见光测是看不到的，这主要是银心方向的星际消光，可见光 比红外要严重的多。比红外要严重的多。AV=-1 红外辐射从发现到红外辐射从发现到20世纪中叶， 比之射电天文的发展来说，红外 天文观测的发展是比较缓慢的。 如 世纪中叶， 比之射电天文的发展来说，红外 天文观测的发展是比较缓慢的。 如60年代四大天文发现，都是射 电天文观测的成果。 年代四大天文发现，都是射 电天文观测的成果。 红外天文观测的重要意义：红外天文观测的重要意义： ?
8、 宇宙中的低温物质宇宙中的低温物质(4000K)能量辐射的大部分在红外；能量辐射的大部分在红外； ? 红外辐射比之可见光而言较少地受到星际物质的吸收和 散射； 红外辐射比之可见光而言较少地受到星际物质的吸收和 散射； ? 各种分子的振动谱线主要在各种分子的振动谱线主要在2 30m近中红外区近中红外区. 红外天文观测要注意两个问题：红外天文观测要注意两个问题： 1.大气的吸收大气的吸收, 地面用红外窗口地面用红外窗口J,H,K都是宽带测光；都是宽带测光； 2.背景辐射的影响：地球是红外源，辐射峰值在背景辐射的影响：地球是红外源，辐射峰值在10m 红外发展缓慢的原因：一是受地面大气窗口的影响， 而
9、空间技术未得到发展；二是受到红外探测技术发展的制 约。近代随着红外探测技术 红外发展缓慢的原因：一是受地面大气窗口的影响， 而空间技术未得到发展；二是受到红外探测技术发展的制 约。近代随着红外探测技术(CCD)和空间技术的发展，红 外天文学得到飞速发展。 和空间技术的发展，红 外天文学得到飞速发展。 IR Atmospheric Windows Infrared Windows in the Atmosphere Wavelength Range Band Sky Transparency Sky Brightness 1.1 - 1.4 J high low at night 1.5 - 1
10、.8 H high very low 2.0 - 2.4 K high very low 3.0 - 4.0 L 3.0 - 3.5 : fair 3.5 - 4.0 : high low 4.6 - 5.0 M low high 7.5 - 14.5 N 8 - 9 and 10 - 12 : fair others: low very high 17 - 40 17 - 25 : Q 28 - 40 : Z very low very high 330 - 370 very low low eff(nm) (nm) U 365 68 B 445 98 V 551 89 R 658 138
11、I 806 149 eff/nm fx(A0V)/Jy J 1.22 213 1570 H 1.63 307 1020 K2.19 390 636 L3.45 472 281 M4.75 460 154 fx(A0V)/Jy A0V型的零等恒星在大气外的绝对流量。型的零等恒星在大气外的绝对流量。 6.1.2 红外观测仪器的特点红外观测仪器的特点 望远镜不是封闭式镜筒，采用珩架结构；望远镜不是封闭式镜筒，采用珩架结构； 焦比大，焦比大，f/20-f/100，可减小副镜的大小和 主镜中心孔的大小，以减少天空背景噪 音； ，可减小副镜的大小和 主镜中心孔的大小，以减少天空背景噪 音； 主镜镀银或金，
12、比镀铝对红外反射率高；主镜镀银或金，比镀铝对红外反射率高； 高的指向精度，因红外源较弱或光学不可 见 高的指向精度，因红外源较弱或光学不可 见 副镜调制；副镜调制； 对主动光学的实现较有利对主动光学的实现较有利 目前世界上大的望远镜都开展了红外测 光和光谱观测，且所占比例越来越大。 目前世界上大的望远镜都开展了红外测 光和光谱观测，且所占比例越来越大。 兴隆兴隆1.26m锑化铟锑化铟 (InSB)红外光度计系统红外光度计系统 副镜调制原理图副镜调制原理图 大型望远镜和空间望远镜也采用焦平面调制：旋转或 （移动）斩波轮技术， 大型望远镜和空间望远镜也采用焦平面调制：旋转或 （移动）斩波轮技术，C
13、CD可替代调制。可替代调制。 6.2 红外探测器红外探测器 将天体投射来的红外辐射转变成可被测量的物理量 （多数情况为电量），从而确定辐射的存在、大小及各 种特性，这主要靠红外探测器来实现。红外观测的质 量，很大程度上取决于红外探测器的性能。 将天体投射来的红外辐射转变成可被测量的物理量 （多数情况为电量），从而确定辐射的存在、大小及各 种特性，这主要靠红外探测器来实现。红外观测的质 量，很大程度上取决于红外探测器的性能。 6.2.1 红外探测器的分类和基本工作原理红外探测器的分类和基本工作原理 从探测机制上主要分为二类：从探测机制上主要分为二类： 热探测器热探测器(对波长无选择性，在红外可做
14、到全波响应对波长无选择性，在红外可做到全波响应) 光子探测器光子探测器（光电效应）（光电效应） 目前天文观测常用的是光子探测器，它又分为二类：目前天文观测常用的是光子探测器，它又分为二类： 光导光导(pc)探测器（内光电效应）探测器（内光电效应） 光伏光伏(pv)探测器（阻挡层光电效应）探测器（阻挡层光电效应） 将探测器制冷，可降低将探测器制冷，可降低Eg, 增加增加C，同时也可 提高灵敏度。 ，同时也可 提高灵敏度。 )( )( 24. 1 m eVEE hc gg c = 截至波长截至波长(Cut-off Wavelength)： 在室温下各种半导体的 ： 在室温下各种半导体的Eg0.18
15、eV, 所以，所以，C7m, g Eh 在纯净在纯净(本征本征)半导体中价电子要成为导电电子必 须从外界获得至少 半导体中价电子要成为导电电子必 须从外界获得至少Eg的能量，的能量， Eg称为禁带，或激 活能，所以有： 称为禁带，或激 活能，所以有： 为了实现在更长波长上的红外探测，一般有两种方法：为了实现在更长波长上的红外探测，一般有两种方法： 1）三元素合金。如）三元素合金。如Hg Cd Te(碲镉汞碲镉汞)； 2）利用纯净半导体掺杂）利用纯净半导体掺杂(dope)，称为非本征或掺杂光 导探测器，一般纯净半导体用 ，称为非本征或掺杂光 导探测器，一般纯净半导体用IV族元素，例如族元素，例如 Ge(锗锗) 和和Si。 材料使用温度材料使用温度(K) Eg(eV) C(m) Si(硅硅) 295(22) 1.12 1.1 Ge(锗锗) 295 0.67 1.8 PbS(硫化铅硫化铅) 295 0.42 2.9 PbS(硫化铅硫化铅) 193 (-80) 0.38 3.3 HgCdTe (碲镉汞碲镉汞) 77 (-196 ) 0.1
