Die Welt in einem anderen Licht Infrarot-Astronomie Die Welt in einem anderen Licht Dr. Eckhard Sturm Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik Garching

Prisma Infrarot Weißes Licht Spektrum Was ist Infrarot? Weißes Sonnenlicht lässt sich zerlegen in einen „Regenbogen“ aus vielen Farben, ein Spektrum. Das detaillierte Studium der Zusammensetzung des Lichtes, das ein Körper aussendet, nennt man Spektroskopie. Instrumente, die Licht in seine Farbbestandteile zerlegen, z.B. mit Hilfe von Glasprismen oder Beugungsgittern, sind Spektroskope. Licht ist Energie, die sich im Raum als sogenannte elektromagnetische Wellen ausbreitet. Die Wellenlänge (bzw. die Frequenz) dieser Wellen bestimmt dabei deren Farbe. Atome und Moleküle könne Licht ganz bestimmter Wellenlängen abstrahlen oder absorbieren. Da diese Wellenlängen für jedes Element einzigartig sind, lässt sich aus einem Spektrum die Zusammensetzung der betreffenden Materie ableiten. Aber auch andere Materieeigenschaften, wie Temperatur, Dichte oder Bewegung, können aus einem Spektrum bestimmt werden. Spektrum

Wellenlänge so groß wie... Was ist Infrarot? Wellenlänge so groß wie... Gebäude Stecknadel-köpfe Ein-zeller Mole-küle Atome Atomkerne Menschen Bienen Radio Ultra-violett Röntgen Gamma Strahlen Mikro-wellen Sicht-bar Infrarot Unsere Augen sind so geschaffen, dass sie nur den Teil des Sonnenlichts wahrnehmen können, der die Erdatmosphäre ungehindert durchdringen kann. Es gibt aber noch weitere Formen von Licht, die für uns unsichtbar sind. Der gesamte Bereich möglicher Strahlung wird elektromagnetisches Spektrum genannt. Er umfasst die sogenannte Gamma-Strahlung, Röntgenstrahlen, ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht, sowie Mikro- und Radiowellen. Glücklicherweise blockiert unsere Erdatmosphäre den größten Teil dieser Strahlung, die für das Leben auf der Erde sehr schädlich und sogar tödlich wäre. Alle diese Formen des Lichts breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit (etwa 300.000 km pro Sekunde) aus. Der einzige Unterschied zwischen ihnen liegt in ihrer Wellenlänge bzw. ihrer Frequenz. Infrarotstrahlen liegen im Spektrum zwischen dem sichtbaren Licht und dem Mikrowellenbereich.

Wilhelm Herschel entdeckt das Infrarot (1800) Wilhelm Herschel im Jahr 1800 bei der Entdeckung der Infrarotstrahlung im Sonnenspektrum. Eine genaue Beschreibung des Experiments mit einer Anleitung zum Nachbauen ist im Internet zu finden unter http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/classroom_activities/herschel_experiment.html http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/classroom_activities/herschel_experiment.html

Die primäre Quelle infraroter Strahlung ist Wärme (thermische oder Wärme-Strahlung). Jeder Körper hat eine gewisse Temperatur und sendet elektromagnetische Strahlen aus. Je kühler ein Objekt ist, desto weiter liegt seine Strahlung im Infraroten. Eiswürfel, zum Beispiel, sind Infrarotquellen. Gegenstände, die nicht heiß genug sind, um sichtbares Licht abzustrahlen, senden Infrarotstrahlen ab, die wir nicht sehen können, aber als Wärme empfinden. Einige Lebewesen haben aber tatsächlich so etwas wie Infrarot-Augen. Grubenottern wie die Klapperschlange, z.B., können mit ihrem Grubenorgan warmblütige Tiere lokalisieren, sogar in völliger Dunkelheit.

Infrarotes Licht vermittelt völlig andere Information als (direktes oder reflektiertes) Licht im sichtbaren Bereich. Wären unsere Augen empfindlich für Infrarot, so wären wir in der Lage, die Welt buchstäblich „mit neuen Augen“ zu sehen. Wir würden Informationen erhalten, die uns sonst nicht zugänglich sind. Denn Infrarotstrahlung wird von den Körpern selber abgestrahlt, während der größte Teil des sichtbaren Lichts reflektiertes Tages- oder Kunstlicht ist.

Aufgrund ihrer langwelligen Natur kann Infrarotstrahlung Hindernisse durchdringen, die sichtbares Licht vollständig blockieren. Dies findet eine wichtige Anwendung in der Astronomie.

Infrarotlicht durchdringt Staub Siehe ESO Pressemitteilung 29b/99 http://www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-1999/phot-29-99.html http://www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-1999/phot-29-99.html

Interstellare Extinktion Je grösser die Wellenlänge, desto geringer die Abschwächung

Infrarotlicht breitet sich genauso wie sichtbares Licht aus, z. B Infrarotlicht breitet sich genauso wie sichtbares Licht aus, z.B. wird es an glatten Oberflächen gespiegelt, wie hier an den Wänden und Fußboden eines Flurs vor einem Besprechungszimmers.  Teleskopspiegel.

M82 (auf Bild klicken, um Film zu starten [m82_full. wmv]) M82 (auf Bild klicken, um Film zu starten [m82_full.wmv]). Siehe Spitzer press release auf http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2006-09/release.shtml http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2006-09/release.shtml

M82, ein Beispiel, wie unterschiedlich das Weltall in sichtbarem (links) und Infraroten Licht aussieht.

Siehe Spitzer Pressemitteilung: Der Trifidnebel im sichtbaren Licht (links), im nahen (Mitte) und im mittleren Infrarot. In der Nah-Infrarotaufnahme sind viel mehr (kühle) Sterne zu sehen, als im sichtbaren Licht. Der Staub ist außerdem durchsichtig geworden. Im mittleren Infrarot fängt der kalte Staub, der im sichtbaren Licht dunkel und undurchsichtig ist, selber an zu strahlen. Siehe Spitzer Pressemitteilung: http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2005-02/release.shtml http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2005-02/release.shtml

Das Zentrum der Milchstraße Sichtbares Licht 100 000 Lichtjahre

1000 Lichtjahre Infrarotes Licht

50 Lichtjahre

3 Lichtjahre

Sterne umkreisen das Zentrum unserer Milchstraße Sterne umkreisen das Zentrum unserer Milchstraße. Ihre Bewegung verrät das dortige Schwarze Loch und ermöglicht es, seine Masse zu messen. Dieser Blick auf die innersten Sterne unserer eigenen Galaxie ist nur im Infraroten möglich. Auf Bild klicken, um galactic_centre.avi zu starten (muss eventuell ausserhalb von Powerpoint mit windows media player Oder real player gespielt werden) 50 Lichttage

Shaw-Preis 2008 (1.000.000 Dollar!) an Reinhard Genzel für den eindeutigen Nachweis des Schwarzen Loches im Zentrum der Milchstraße Siehe MPE Pressemitteilung: http://www.mpe.mpg.de/Highlights/PR20080610/text-d.html Siehe auch Material zu "SgrA* - das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße„ in http://www.mpe.mpg.de/POPUS/Lehrerfortbildung/ Der Shaw-Preis 2008 (1 Mio Dollar!) ging an Prof. Reinhard Genzel (MPE) für den eindeutigen Nachweis des Schwarzen Loches im Zentrum der Milchstraße. Dieser Nachweiß war nur im Infraroten möglich. http://www.mpe.mpg.de/Highlights/PR20080610/text-d.html http://www.mpe.mpg.de/POPUS/Lehrerfortbildung/

Wasser – Segen und Fluch der Infrarot Astronomy Die Erdatmosphäre (vor allem der darin enthaltene Wasserdampf) absorbiert einen Großteil der aus dem Weltraum kommenden Infrarotstrahlung (bis auf wenige so genannte „Fenster“ im nahen Infrarotbereich). Infrarot-Astronomie ist daher nur außerhalb der Erdatmosphäre möglich, das heißt von Flugzeugen in großer Höhe aus (z.B. SOFIA) oder mit Weltraum-Observatorien (z.B. ISO, Herschel) Außerdem überlagert die thermische Eigenstrahlung der Atmosphäre im Infraroten jedes Signal aus dem Weltraum und macht auch dadurch Beobachtungen vom Erdboden unmöglich. Im Weltraum verbleiben noch die Eigenstrahlung des Teleskops und des Messinstruments selber. Diese Störung muß durch Kühlen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 Grad Celsius) unterdrückt werden.

Wasser – Segen und Fluch der Infrarot Astronomy Wenn man einmal den Wasserdampf der Erdathmospäre verlassen hat, kann man überall in Universum Wasser Nachweisen (in Form von Eis (auf der Oberfläche von Staubpartikeln) oder gasförmig). Z.B. in Sternentstehungsgebieten wie dem Orionnebel (rechts oben), d.h. Wasser ist sicherlich auch auf Planeten außerhalb des Sonnensytems vorhanden (zusammen mit anderen komplexen Molekülen, d.h. die Vorraussetzungen für Leben sind gegeben).

Das Infrarote Universum Das Universum ist ein kühler Ort! Viele astronomische Objekte sind relativ kalt (Planeten, interstellares Gas, Staub) und strahlen daher hauptsächlich im Infraroten. Viele Regionen im All sind hinter dichten Wolken aus Staub verborgen. Infrarotstrahlen können diesen Staub durchdringen und uns zeigen, was dahinter ist. Im Infrarotbereich gibt es eine große Zahl atomarer und molekularer Spektrallinien, die es ermöglichen, die physikalischen Zustände und Prozesse z.B. in Planetenatmosphären, interstellaren Staub- und Gaswolken oder fernen Galaxien zu erforschen. Durch die kosmische Expansion wird das Licht entfernter Galaxien stark rotverschoben. Daher kann man das frühe Universum besonders gut im Infraroten untersuchen.