Infrared astronomy

Electromagnetic waves with wavelengths between 1 and 1,000 micrometers (1 millimeter) are called infrared rays. Astronomical observations using infrared rays began in the 1960s and have since developed rapidly. Early infrared observations were mainly conducted from the ground and were limited to near-infrared and mid-infrared wavelength bands (atmospheric windows) of 20 micrometers or less, where there is little atmospheric absorption. These observations led to the discovery of stars (infrared stars) that are surrounded by thick cosmic dust, where the light of the hot stars at the center is completely absorbed and re-emitted as low-temperature infrared light. They also allowed the observation of the process in which cold interstellar gas (absolute temperature 50 to 60 K) contracts and rises in temperature, resulting in the birth of new stars (the birth of protostars). Meanwhile, infrared rays, which have good transparency, have made it possible to see inside dark nebulae and the central region of the Galaxy, which were previously invisible due to scattering and absorption by interstellar dust, and have revealed the scene where young stars are born in clusters in dark nebulae, and the distribution of stars at the center of the Galaxy at a density tens of millions of times higher than in the vicinity of the Solar System. It is also believed that at the center of the galaxy there is a black hole with a mass several million times that of the sun.

Infrared observations were subsequently conducted in the upper atmosphere using airplanes and balloons, which reduced the effects of atmospheric absorption and extended the wavelength range to the far-infrared region (around 100 micrometers). As a result, it became possible to observe even cooler celestial bodies, and infrared radiation from interstellar dust itself at temperatures of less than a few tens of K became observable. This enabled interstellar dust clouds, which had previously only been visible as dark nebulae (shadows), to be directly observed as glowing infrared nebulae, dramatically advancing our understanding of the composition, temperature, and distribution of interstellar dust in the Milky Way Galaxy.

In 1983, the first infrared satellite (IRAS) was launched jointly by the United States, the United Kingdom, and the Netherlands, ushering in a new era in infrared astronomy research. The satellite was equipped with a 60-centimeter telescope cooled to 2 K with liquid helium to avoid infrared radiation from the instrument itself, and conducted a survey of the entire sky in four wavelength bands: 12, 25, 60, and 100 micrometers. As a result, it succeeded in identifying more than 250,000 infrared objects and creating an infrared intensity map of the entire sky. Among the objects observed, various new objects were discovered, including stars that left traces of past planetary formation and infrared galaxies with unusually strong far-infrared radiation. On the other hand, it drew a detailed distribution map of interstellar dust in the Milky Way and revealed the existence of fine streaky structures (shirass-like structures) within it, dramatically advancing interstellar material research.

In 1989, a group from the Goddard Institute in the United States successfully launched the Cosmic Background Observatory (COBE), which extended the microwave background radiation (so-called 3K radiation) discovered through radio wave observations to the far-infrared and submillimeter wave regions, revealing that it exhibited a complete blackbody radiation spectrum (2.73K), providing definitive observational evidence for the Big Bang cosmology. In addition, the onboard microwave precision radiometer detected fine (on the order of one part in 100,000) intensity inhomogeneities in the background radiation, achieving other major results, such as finding traces of the differentiation of the hot, homogeneous early universe into the diverse universe we see today, filled with stars and galaxies.

In 1995, Japan's first orbiting infrared telescope (IRTS) was launched on a space-recoverable platform (SFU). It observed diffuse infrared radiation over a wide wavelength range from near infrared to far infrared (1-800 micrometers), and achieved valuable results, such as revealing that interstellar dust of organic origin is widely distributed throughout the galactic space. In the same year, the European Space Agency (ESA) launched a full-scale infrared observation satellite called the Space Infrared Observatory (ISO), and researchers from all over the world participated in the observations. The observation instruments included an infrared camera, an infrared photometer, and an infrared spectrometer, and various observations were made using these instruments. In particular, it was the first infrared satellite to use a precise spectrometer, and the spectral lines of a wide variety of atoms and molecules, including hydrogen molecules, were observed, allowing detailed investigations of the physical state of neutral and ionized gas clouds in space. Because this is a satellite observation that is not affected at all by water vapor in the atmosphere, it has become possible for the first time to observe the spectral lines of water molecules distributed in space, dramatically advancing research into the forms of water molecules in various celestial bodies, such as the atmospheres of stars, interstellar space, and galaxies. Meanwhile, many new types of solid matter have been discovered, including solidified water (so-called ice), carbon dioxide (CO ₂ ) ice (dry ice), and other ices such as methane (CH ₄ ), confirming the existence of a variety of solid materials in addition to the minerals (silicate, graphite, etc.) previously thought to be the composition of interstellar dust.

In addition, surveys of the deep universe using highly sensitive infrared cameras and infrared photometers have led to the discovery of a large number of galaxies that shine brightly in infrared light (infrared galaxies) that were undergoing vigorous star formation at the beginning of the universe, opening up new perspectives for research into the evolution of galaxies in the early universe.

Meanwhile, large telescopes such as the Keck Telescope (10 meters in diameter) in the United States and the Subaru Telescope (8.2 meters in diameter) in Japan have been constructed on high mountains such as Mauna Kea (4,200 meters above sea level) in Hawaii, and many large telescopes with 8 meters in diameter are being jointly constructed in the Southern Hemisphere by Europe, and infrared observations from the ground are also making great strides. In addition, at the beginning of the 21st century, the United States, Japan, and the European Union (EU) are preparing to launch large infrared satellites, and infrared astronomy is about to enter the 21st century on the foundations built over the past half century.

[Haruyuki Okuda]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

波長にしておよそ1から1000マイクロメートル（1ミリメートル）の間の電磁波は赤外線とよばれるが、この赤外線を使った天体観測が1960年代から始まり、その後急速な発展を遂げている。初期の赤外線観測は主として地上から行われ、大気の吸収の少ない波長20マイクロメートル以下の近赤外、中間赤外の波長帯（大気の窓）に限られていた。厚い宇宙塵(じん)に取り囲まれているため、中心にある高温の星の光はすっかり吸収され、それを温度の低い赤外線として再放出している星（赤外線星）がこの観測によって発見され、また冷たい星間ガス（絶対温度50～60K）が収縮して温度が上がり、新しい星として生まれつつある過程（原始星の誕生）なども観測されるようになった。一方、星間塵による散乱、吸収によって見えなかった暗黒星雲の内部や、銀河系の中心領域が、透過性のよい赤外線によって見通すことができるようになり、暗黒星雲の中で若い星が群がって誕生している現場や、銀河中心には、太陽系近傍の数千万倍もの密度で星が分布している姿を明らかにした。また、銀河中心には太陽の質量の数百万倍もあるブラック・ホールがあるといわれている。

　赤外線観測は、その後、飛行機、気球などを使うことによって大気上層部で行われるようになり、大気吸収の影響の軽減が図られて、波長域が遠赤外域（100マイクロメートル付近）まで延びるようになった。その結果、さらに温度の低い天体の観測が可能になって、数十K以下という低い温度の星間塵自身からの赤外線放射も観測されるようになった。それによって、いままで、暗黒星雲（影）としてしか見えていなかった星間塵の雲が光り輝く赤外線星雲として直接観測できるようになり、銀河系の中での星間塵の組成、温度、分布などの理解が飛躍的に進むことになった。

　1983年に初めての赤外線衛星（IRAS(アイラズ)）がアメリカ、イギリス、オランダ3国の共同で打ち上げられ、赤外線天文学の研究は新しい時代を迎えることになった。この衛星には観測器自身から出る赤外線を避けるため液体ヘリウムで2Kまで冷却された口径60センチメートルの望遠鏡が搭載されて、波長12、25、60、100マイクロメートルの四つの波長帯で全天のサーベイ（掃天）観測を行った。その結果、25万個を超える赤外線天体や、全天にわたる赤外線の強度マップをつくることに成功した。観測された天体のなかには、過去に惑星系の形成を行った痕跡(こんせき)を残した星や、遠赤外の異常に強い赤外線銀河などさまざまな新天体の発見が含まれている。一方、銀河系中の星間塵の詳細な分布図を描き出し、そのなかに筋状の微細な構造（シラス状構造）が存在することを明らかにするなど星間物質研究を飛躍的に発展させた。

　1989年には、アメリカ、ゴダード研究所のグループが、宇宙背景放射観測衛星（COBE）の打上げに成功し、電波観測によって発見されていたマイクロ波背景放射（いわゆる3K放射）を遠赤外、サブミリ波領域まで拡張して観測し、それが完全な黒体放射スペクトル（2.73K）を示すことを明らかにし、ビッグ・バン宇宙論に決定的な観測的証拠を与えた。また、同時に搭載されていたマイクロ波精密放射計によって背景放射に細かい（10万分の1程度）強度の不均質性があることを検出し、高温一様な初期宇宙から現在の星や銀河の群がる多様な宇宙へ分化する痕跡をみいだすなど大きな成果をあげた。

　1995年には、日本で初めての軌道赤外線望遠鏡（IRTS）が、回収型の宇宙プラットホーム（SFU）で打ち上げられた。近赤外線から遠赤外（1～800マイクロメートル）に至る広い波長域にわたって拡散状の赤外線放射の観測を行い、有機物質起源の星間塵が銀河系空間に広く分布していることを明らかにするなど貴重な成果をあげることに成功した。同年にはヨーロッパ宇宙機関（ESA）が、宇宙赤外線天文台（ISO(アイソ)）とよばれる本格的な赤外線観測衛星を打ち上げ、世界中の研究者が観測に参加した。観測器には、赤外線カメラ、赤外線測光器、赤外線分光器などが搭載され、それらによってさまざまな観測が行われた。とくに、赤外線衛星としては始めて精密な分光器が使われ、水素分子をはじめ、多種、多様な原子、分子のスペクトル線の観測が行われ、宇宙空間における中性ガス雲、電離ガス雲の物理状態が詳しく調べられるようになった。大気中の水蒸気の影響をまったく受けない衛星観測であるため、宇宙空間に分布する水分子のスペクトル線の観測が初めて可能になり、星の大気、星間空間、銀河などさまざまな天体における水分子の存在形態の研究が飛躍的に進んだ。一方、固形化した水（いわゆる氷）をはじめ、二酸化炭素（CO₂）の氷（ドライアイス）、その他、メタン（CH₄）などの氷を含めて新種の固体物質が数多く発見されており、星間塵の組成として従来考えられていた鉱物質のもの（シリケイト、グラファイトなど）以外にも多様な固体物質が存在することが確認された。

　また、高感度の赤外線カメラ、赤外線測光器を駆使した宇宙深部のサーベイ観測が行われた結果、宇宙の始まりにおいて活発な星形成活動を行った、赤外線で明るく輝く銀河（赤外銀河）を大量に発見するなど、宇宙初期の銀河進化の研究にも新しい展望を開いた。

　一方、ハワイのマウナ・ケア山（標高4200メートル）などの高山に、アメリカのケック望遠鏡（口径10メートル）、日本の「すばる」望遠鏡（口径8.2メートル）などの大型望遠鏡が建設され、また、南半球にもヨーロッパ共同で口径8メートルクラスの大型望遠鏡が多数建設されており、地上からの赤外線観測も大きな飛躍を遂げつつある。また、21世紀初頭には、アメリカ、日本、ヨーロッパ連合（EU）が大型の赤外線衛星の打上げ準備を進めており、赤外線天文学は過去半世紀に築き上げた基盤の上に21世紀の幕開けを迎えようとしている。

［奥田治之］

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例