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[[Datei:First Peek at Spitzer's Legacy Mysterious Whirlpool Galaxy (cropped).jpg|mini|Die [[Whirlpool-Galaxie]] im sichtbaren und im infraroten Licht ([[Falschfarben]]):<br/>
Im nahen Infrarot tritt die Strahlung von Sternen hervor (blau-grün), im mittleren Infrarot sind
kälterer Staub bzw. [[Kohlenwasserstoffe|Kohlenwasserstoffe]] sichtbar (orange-rot)]]

Die '''Infrarotastronomie''' ist ein experimenteller Teilbereich der [[Astronomie]], der die von astronomischen Objekten ausgesandte [[Infrarotstrahlung]] nutzt. Diese Strahlung liegt in einem Teil des [[Elektromagnetisches Spektrum|elektromagnetischen Spektrums]], der vom menschlichen [[Auge]] nicht wahrgenommen werden kann.

== Beobachtungsbereich ==
{| class="wikitable float-right"
|- class="hintergrundfarbe8"
! Wellenlänge<br />in μm
! [[Frequenzband#Astronomie|Frequenzband]]
|-
| {{0}}{{0}}0,65 || R-Band
|-
| {{0}}{{0}}0,80 || I-Band
|-
| {{0}}{{0}}0,90 || Z-Band
|-
| {{0}}{{0}}1,00 || Y-Band
|-
| {{0}}{{0}}1,25 || J-Band
|-
| {{0}}{{0}}1,65 || H-Band
|-
| {{0}}{{0}}2,20 || K-Band
|-
| {{0}}{{0}}3,45 || L-Band
|-
| {{0}}{{0}}4,70 || M-Band
|-
| {{0}}10 || N-Band
|-
| {{0}}20 || Q-Band
|-
|}

Der beobachtete infrarote Strahlungsbereich kurz Infrarot (IR) oder [[Wärmestrahlung]] reicht von 700 nm als kürzester Wellenlänge (entsprechend der höchsten Frequenz von etwa 400 THz) bis hinauf zu 300 μm, entsprechend etwa 300 GHz als tiefster Frequenz.

Kürzerwelliger als Infrarot ist sichtbares Licht, das mit Rot an IR angrenzt, das Gebiet der optischen Teleskopie. Längerwellig als IR setzt Submillimeterstrahlung das Spektrum elektromagnetischer Strahlung fort, hier beginnt die Radioteleskopie.

Infrarot wird in drei Bereiche unterteilt;

* Nahes Infrarot (ca. 700 nm – 4 μm)
* Mittleres Infrarot (4–40 μm)
* Fernes Infrarot (40–300 μm)

Die angegebenen vier Grenzen für Infrarot und seine drei Teilbereiche variieren je nach Quelle etwas.

In der Astronomie werden diese Bereiche weiter in Wellenlängenbänder unterteilt, in denen die [[Atmosphärisches Fenster|Atmosphäre weitgehend transparent]] ist. Diese Bänder (siehe Tabelle) sind mit Großbuchstaben bezeichnet nach den Namen der optischen [[Filter (Optik)|Filter]], die nur Strahlung der entsprechenden Wellenlänge passieren lassen. Außerhalb dieser Bänder ist die wasserdampfhaltige Luft der [[Troposphäre]] für IR praktisch undurchsichtig oder trüb.

Mit höherer Position und möglichst geringem Wassergehalt der Luftschichten darüber wird die IR-Durchsichtigkeit besser. Am besten ist diese im Weltraum. Abschattung von Sonnenlicht und Schutz vor Partikelstrahlung wird dort wichtiger.

== Instrumentelle Voraussetzungen ==
[[Datei:Spitzer space telescope.jpg|mini|links|Eine Computeranimation des [[Spitzer-Weltraumteleskop]]s mit Infrarotdarstellung der Milchstraße im Hintergrund]]

Die oberhalb etwa 2 μm immer stärker störende Wärmestrahlung der Atmosphäre, des Teleskops und der Instrumente selbst prägt zum großen Teil die Instrumentenentwicklung.<ref>Infrared Telescopes, S. 501–512 in: Jingquan Cheng: ''The principles of astronomical telescope design.'' Springer, New York 2009, ISBN 978-0-387-88790-6.</ref>

=== Standorte für Teleskope ===
Infrarotstrahlung wird von der [[Erdatmosphäre]] sehr stark [[Absorption (Physik)|absorbiert]], besonders durch den atmosphärischen Wasserdampf. Nur unterhalb 1 μm und in einigen kleinen Fenstern bis etwa 40 μm ist eine Beobachtung mit erdgebundenen [[Teleskop]]en möglich. Erdgebundene Infrarotteleskope werden deshalb bevorzugt an hohen und trockenen Standorten errichtet. Beispiele sind das [[Mauna-Kea-Observatorium]] oder die Observatorien der [[Europäische Südsternwarte|Europäischen Südsternwarte]] (ESO); auch die Eisschilde der [[Antarktis]] sind wegen ihrer Höhe, Kälte und Trockenheit von Interesse.<ref name="HAL">https://hal.science/hal-00839145v1/file/aa20420-12.pdf</ref> Oft werden große Teleskope sowohl für optische als auch für Infrarotbeobachtungen benutzt, es gibt aber auch einige speziell für Infrarotbeobachtungen optimierte Teleskope.

Da mit zunehmender Höhe die Absorption stark zurückgeht, wurden schon seit den 1960ern Infrarotteleskope in hochfliegenden [[Ballon]]s und ballistischen [[Höhenforschungsrakete]]n verwendet. Seit den 1960ern wurden hochfliegende [[Flugzeug]]e ([[Lear Jet Observatory]], [[Kuiper Airborne Observatory]], [[Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy|SOFIA]]) eingesetzt.<ref name="HAL" /> Im Weltraum verschwindet nicht nur die atmosphärische Absorption, es wird auch möglich, kleinere Teleskope im Ganzen auf sehr tiefe Temperaturen zu kühlen und damit ihre störende Wärmestrahlung zu unterdrücken. Seit den 1980ern werden deshalb vermehrt Weltraumteleskope für den Infrarotbereich eingesetzt, die ersten waren [[Infrared Astronomical Satellite|IRAS]] und [[Infrared Space Observatory|ISO]], weitere wichtige waren [[ASTRO-F]] und [[Herschel-Weltraumteleskop|Herschel]], [[Spitzer-Weltraumteleskop|Spitzer]] und [[Wide-Field Infrared Survey Explorer|WISE]]. Am 25. Dezember 2021 wurde das [[James-Webb-Weltraumteleskop]] (JWST) gestartet.

=== Instrumente ===
Die Instrumente der Infrarotastronomie ähneln in der Konzeption den Kameras und Spektrographen der [[Visuelle Astronomie|visuellen Astronomie]]. Allerdings müssen sie stark gekühlt werden. Meist dienen dazu mit flüssigem Stickstoff oder Helium gekühlte [[Kryostat]]en oder mechanische Kühlgeräte. Die im Infrarotbereich z. B. für Linsen verwendeten optischen Materialien unterscheiden sich von den für sichtbares Licht gebräuchlichen.

Häufig wechseln Infrarotinstrumente in einem ''Choppen'' genannten Vorgang regelmäßig die Beobachtungsrichtung zwischen dem untersuchten Objekt und einer benachbarten Himmelsposition. Durch Subtraktion der an beiden Positionen gemessenen Signale kann die Quelle besser vom Hintergrund abgehoben werden.

Seit den 1990ern ist für Beobachtungen im nahen Infrarot der Einsatz [[Adaptive Optik|adaptiver Optik]] zur Korrektur der Luftunruhe ([[Seeing]]) möglich. Damit erreichen große erdgebundene Teleskope ihre volle [[Beugung (Physik)|beugungsbegrenzte]] Auflösung und können in dieser Hinsicht mit dem [[Hubble-Weltraumteleskop|Hubble Space Telescope]] konkurrieren.

=== Detektoren ===
Über den weiten Wellenlängenbereich der Infrarotastronomie kommen mehrere Arten von Detektoren zum Einsatz. Bis zu etwa 1 μm Wellenlänge sind normale, auch in der visuellen Astronomie gebräuchliche [[CCD-Sensor|CCD]]-Detektoren empfindlich. Für größere Wellenlängen werden spezielle Detektoren benötigt.

Nach dem Zweiten Weltkrieg begann mit Detektoren aus [[Bleisulfid]] (PbS) der Aufstieg der Infrarotastronomie. Heute werden besonders für das nahe Infrarot nach dem Prinzip der [[Fotodiode]] funktionierende Detektoren benutzt, aus Halbleitermaterialien wie [[Indiumantimonid]] InSb und [[Quecksilbercadmiumtellurid]] (Hg,Cd)Te. Nach dem Prinzip des [[Fotowiderstand]]s arbeitende Detektoren aus [[Dotierung|dotiertem]] Silizium (z. B. Si:Ga) und Germanium (z. B. Ge:Ga) finden bei längeren Wellenlängen Verwendung. Daneben werden, heute besonders bei den längsten Wellenlängen, thermische Detektoren ([[Bolometer]]) eingesetzt. Diese weisen die durch die Strahlung erzeugte Wärmeenergie im Detektor nach. Bis in die 1980er Jahre waren Infrarotdetektoren fast stets Einzeldetektoren, die für größere Aufnahmen über den Himmel geführt werden mussten. Seither sind Detektoranordnungen bis zu 2048×2048 Elementen bei den kurzen Wellenlängen und bis zu wenigen tausend Elementen bei langen Wellenlängen verfügbar geworden.

== Besonderheiten der Infrarotastronomie ==

=== Durchdringung von interstellarem Staub ===
[[Datei:Andromeda galaxy Ssc2005-20a1.jpg|mini|Der [[Andromedanebel]] im infraroten Licht bei 24 μm]]

Die Abschwächung ([[Extinktion (Astronomie)|Extinktion]]) von elektromagnetischer Strahlung durch den [[interstellarer Staub|interstellaren Staub]] variiert stark mit der Wellenlänge. Bei 2 μm in nahen Infrarot ist sie gegenüber dem sichtbaren Licht bereits auf etwa 1/10 zurückgegangen. Damit werden hinter Staub verborgene Gebiete beobachtbar, z. B. junge [[Stern]]e, das [[Galaktisches Zentrum|galaktische Zentrum]] und die Kerne von [[Infrarotgalaxie]]n.

=== Beobachtung kalter Objekte ===
Nach dem [[Plancksches Strahlungsgesetz|Planckschen Strahlungsgesetz]] strahlen kalte Himmelskörper wie z. B. [[Brauner Zwerg|Braune Zwerge]] oder noch tief in [[Molekülwolke]]n eingebettete Sterne hauptsächlich im Infrarot. Viele im interstellaren Medium häufige Atome, Ionen und Moleküle haben wichtige [[Strahlungsübergang|Strahlungsübergänge]] im Infrarot. Besonders geeignet ist die Infrarotspektroskopie für die Bestimmung der Zusammensetzung und der physikalischen Bedingungen von Gas mit Temperaturen von einigen hundert [[Kelvin]]. Kalter (< 100 Kelvin) Staub im interstellaren Medium strahlt das absorbierte Licht im fernen Infrarot wieder ab und ist oft ein großer Beitrag zur Energiebilanz astronomischer Objekte. Im mittleren Infrarot gibt es starke Emission von organischen Verbindungen im interstellaren Medium, die mit [[Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe|polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen]] verwandt sind.

=== Beobachtungen bei hoher Rotverschiebung ===
Durch die kosmologische [[Rotverschiebung]] wird das von Galaxien im frühen Universum ausgesandte sichtbare oder UV-Licht auf der Erde im nahen Infrarot beobachtet. Dies ist z. B. entscheidend für die Auslegung des [[James-Webb-Weltraumteleskop]]s.

== Beobachtungsobjekte und wissenschaftliche Ziele ==

=== Im Sonnensystem ===
[[Planet]]en, [[Satellit (Astronomie)|Satelliten]], [[Komet]]en und [[Asteroid]]en im [[Sonnensystem]] werden intensiv im Infrarot beobachtet. Von IRAS wurden z. B. einige neue Asteroiden und Kometen sowie drei Staubbänder im Bereich des [[Asteroidengürtel]]s entdeckt, die vermutlich durch Kollisionen innerhalb des Asteroidengürtels entstanden sind. Ein neues Ziel sind Eigenschaften von transneptunischen Objekten des [[Kuipergürtel]]s und der [[Oortsche Wolke|Oortschen Wolke]].

=== In der Milchstraße ===
[[Datei:Comp galcen.jpg|mini|hochkant|Vergleich des Zentrums der Milchstraße bei verschiedenen Wellenlängen]]

Viele Infrarotbeobachtungen in der [[Milchstraße]] zielen auf ein Verständnis der Entstehung von Sternen. Großflächige Suchen nach jungen Sternen in allen Entwicklungsstadien und nach Braunen Zwergen werden kombiniert mit hochaufgelösten Aufnahmen und mit Spektroskopie. Zirkumstellare Staubscheiben ergaben erste Anzeichen für die Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen um andere Sterne. Im [[Galaktisches Zentrum|Galaktischen Zentrum]] wird im Infrarot die Umgebung des nächsten supermassereichen [[Schwarzes Loch|schwarzen Lochs]] untersucht. Entwickelte Sterne und ihr Massenauswurf sind ein weiteres Ziel der Infrarotastronomie in der Milchstraße.

Infrarotspektroskopie dient zur Untersuchung des Zustands und der chemischen Zusammensetzung des interstellaren Mediums. Von IRAS wurde auch eine diffuse Infrarotstrahlung und filamentartige Staubwolken entdeckt, die sich bis in hohe galaktische Breiten ausdehnen.

=== Außerhalb der Milchstraße ===
[[Infrarotgalaxie]]n strahlen im Gegensatz zur Milchstraße und den meisten anderen [[Galaxie]]n bis zu 99 % ihrer Gesamt[[leuchtkraft]] im fernen Infrarot ab. Wechselwirkungen und Zusammenstöße mit anderen Galaxien tragen zu ihrer Entstehung bei. Die Infrarotastronomie untersucht den Beitrag hoher [[Sternentstehung]]sraten in [[Starburstgalaxie|Starbursts]] und von [[Aktiver galaktischer Kern|aktiven Galaxienkernen]] zu diesem Phänomen.

Die Entwicklung von Galaxien im frühen Universum wird immer intensiver im Infrarot studiert. Im nahen Infrarot wird das rotverschobene Licht der Sterne dieser Galaxien beobachtet, im fernen Infrarot und Submillimeterbereich der von Staub verschluckte und wieder abgestrahlte Anteil.

== Geschichtliche Entwicklung und Ausblick ==
Nachdem [[Wilhelm Herschel|William Herschel]] 1800 die Infrarotstrahlung der Sonne entdeckt hatte, konnte [[Charles Piazzi Smyth]] 1856 erstmals eine infrarote Komponente im Spektrum des [[Mondlicht]]s nachweisen. [[William Coblentz]] konnte ab 1915 Infrarotstrahlung von 110 Sternen nachweisen und gilt als einer der Begründer der [[IR-Spektroskopie]]. Diese frühen Messungen wurden meist mit [[Bolometer]]n oder [[Thermoelement]]en gewonnen.

In den 1950ern brachten die Bleisulfid (PbS)-Detektoren einen Empfindlichkeitssprung im nahen Infrarot. Wie auch bei vielen späteren Detektorentwicklungen für das nahe und mittlere Infrarot profitierte die Astronomie hier vom militärischen Interesse an empfindlichen Detektorsystemen z. B. zur Verfolgung von Flugzeugen und Raketen. Um 1960 entwickelten [[Harold Lester Johnson|Harold L. Johnson]] und Mitarbeiter das erste [[Fotometrie|fotometrische]] System für das Infrarot. 1963 wurden mit den ersten Ballonmissionen Infrarotbeobachtungen des [[Mars (Planet)|Mars]] durchgeführt und bereits 1967 wurde mit einer Serie von Raketenflügen die erste Kartierung des gesamten Himmels im mittleren Infrarot 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 1970er-Jahre wurde ein militärischer C-141A Transportjet zu einem Infrarotteleskop umgebaut, das ab 1974 als [[Kuiper Airborne Observatory]] (KAO) Beobachtungen in 14 km Höhe durchführte.

Der Durchbruch der Infrarotastronomie kam jedoch in den 1980ern mit den ersten Satellitenmissionen. 1983 durchmusterte [[Infrared Astronomical Satellite|IRAS]] den Himmel. 1989 wurde [[Cosmic Background Explorer|COBE]] gestartet und entdeckte Anisotropien der [[Kosmischer Mikrowellenhintergrund|kosmischen Hintergrundstrahlung]]. 1995 folgte mit dem [[Infrared Space Observatory]] (ISO) das erste echte Weltraumobservatorium für das Infrarot mit Kamera, Photometer und Spektrometern. 1997 folgte die Aufrüstung des [[Hubble-Weltraumteleskop]]s mit dem Infrarotinstrument NICMOS, 2003 wurde das [[Spitzer-Weltraumteleskop]] gestartet. 2009 starteten die Missionen [[Planck-Weltraumteleskop|Planck]], [[Herschel-Weltraumteleskop|Herschel]] und [[Wide-Field Infrared Survey Explorer|WISE]].

Die Entwicklung der Infrarotastronomie geht zurzeit hauptsächlich in zwei Richtungen:
* Beobachtungen mit höchster räumlicher Auflösung vom Boden, unter Nutzung adaptiver Optik oder der Interferometrie wie am [[Very Large Telescope]] Interferometer ([[VLTI]]). Geplante Riesenteleskope wie das [[European Extremely Large Telescope]] sind ohne adaptive Optik nicht denkbar.
* weitere Steigerung der Empfindlichkeit von Flugzeug- und Satellitenteleskopen. Am 25. Dezember 2021 wurde das [[James-Webb-Weltraumteleskop]] gestartet, weiter realisiert wurde das Flugzeugobservatorium [[Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy|SOFIA]]. In den [[2000er]]n verfolgte Projekte wie der [[Terrestrial Planet Finder]] der NASA bzw. das [[Darwin (Weltraumteleskop)|Darwin-Teleskop]] der ESA, mit denen erstmals die direkte Beobachtung [[Exoplanet|exosolarer Planeten]] möglich gewesen wären, sind auf unbestimmte Zeit verschoben bzw. nicht realisiert worden.

{| class="wikitable"
|- class="hintergrundfarbe8"
|+ Einige Himmelsdurchmusterungen im Infrarot
! Bezeichnung
! Jahr
! Wellenlänge
! Bemerkungen
|-
| AFGRL Infrared Sky Survey
| 1967
| 4–20 μm
| Katalog mit 2363 Quellen
|-
| Two Micron Sky Survey (TMSS)
| 1968
| 2,2 μm
| 70 % des Himmels, über 5500 Quellen
|-
| [[Infrared Astronomical Satellite]] (IRAS)
| 1983
| 12–100 μm
| 96 % des Himmels, über 300.000 Quellen
|-
| [[Cosmic Background Explorer]] (COBE)
| 1989
| 1,25–240 μm
| sehr präzise Spektroskopie bei geringer räumlicher Auflösung
|-
| [[Two Micron All Sky Survey]] (2MASS)
| 1997–2001
| 1,25–2,17 μm
| gesamter Himmel, ca. 500 Millionen Quellen
|-
|}

{| class="wikitable"
|- class="hintergrundfarbe8"
|+ Bisher gestartete Infrarot-Weltraumteleskope
! Bezeichnung
! Jahr
|-
| [[Infrared Astronomical Satellite]] (IRAS)
| 1983
|-
| Spacelab 2 Infrared Telescope
| 1985
|-
| [[Infrared Space Observatory]] (ISO)
| 1995–1998
|-
| [[Infrared Telescope in Space]] (IRTS)
| 1995
|-
| [[Midcourse Space Experiment]] (MSX)
| 1996
|-
| [[Wide Field Infrared Explorer]] (WIRE)
| 1999
|-
| [[Spitzer-Weltraumteleskop]] (SST)
| 2003–2020
|-
| [[ASTRO-F|Akari (ASTRO-F)]]
| 2006–2011
|-
| [[Herschel-Weltraumteleskop]] (HSO)
| 2009–2013
|-
| [[Wide-Field Infrared Survey Explorer]] (WISE)
| seit 2009
|-
| [[James-Webb-Weltraumteleskop]] (JWST)
| seit 2021
|-
|}

== Literatur ==
* Ian Glass: ''Handbook of Infrared Astronomy''. Cambridge University Press, Cambridge 1999, ISBN 0-521-63311-7 (Technische Grundlagen).
* Ian S. McLean: ''Infrared astronomy with arrays – the next generation.'' Kluwer, Dordrecht 1994, ISBN 0-7923-2778-0.
* Rudolf A. Hanel: ''Exploration of the solar system by infrared remote sensing.'' Cambridge Univ. Press, Cambridge 2003, ISBN 0-521-81897-4.
* [[Frank James Low|Low, F.J.]], Rieke, G.H., Gehrz, R.D.: ''The Beginning of Modern Infrared Astronomy'', Ann. Rev. Astron. Astrophys. 45, 43–75 (2007).
* David L. Clements: ''Infrared astronomy – seeing the heat.'' CRC Press, Boca Raton 2015, ISBN 978-1-4822-3727-6.
* Thorsten Dambeck: ''In neuem Licht: Geburt und Tod der Sterne''. [[Bild der Wissenschaft]], 10/2008, S. 46–52, {{ISSN|0006-2375}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Infrared telescopes|Infrarotteleskope}}
* {{DNB-Portal|4161689-3}}
* Deutsches SOFIA Inst., Grundlagen Infrarotastronomie: [https://www.dsi.uni-stuttgart.de/forschung/infrarotastronomie/grundlagen.html]
* [http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/ir_tutorial/ Infrared Astronomy Tutorial] (englisch)
* [http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/multiwavelength_astronomy/multiwavelength_museum/ The Multiwavelength Astronomy Gallery]
* [https://www.ipac.caltech.edu Infrared Processing and Analysis Center – science and data center for infrared astronomy]

== Einzelnachweise ==
<references/>

{{Navigationsleiste Astronomie Wellenlängen}}
{{Normdaten|TYP=s|GND=4161689-3|LCCN=sh85066313|NDL=00575892}}

[[Kategorie:Beobachtungsmethode der Astronomie]]
[[Kategorie:Infrarottechnik]]

Infrarotastronomie - Versionsgeschichte

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