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赤外線天文学は、赤外線（IR）放射を用いて天体の観測と分析を行う天文学の一分野です。赤外線の波長は0.75～300マイクロメートルで、 380～750ナノメートルの可視光線とサブミリ波の中間に位置します。
赤外線天文学は、1800年にウィリアム・ハーシェルが赤外線を発見してから数十年後の1830年代に始まった。 [ 1 ]初期の進歩は限られており、太陽と月以外の天体が赤外線で確実に検出されるようになったのは20世紀初頭になってからだった。 1950年代と1960年代に電波天文学で多くの発見があった後、天文学者たちは可視波長範囲外の情報が得られることに気づき、現代の赤外線天文学が確立された。[ 2 ]
赤外線天文学と光学天文学は、同じ望遠鏡を使用して行われることが多い。これは、同じ鏡やレンズが、可視光と赤外線の両方を含む波長範囲で通常有効であるためである。どちらの分野でも固体検出器が使用されるが、使用される固体光検出器の種類は異なる。赤外線は地球の大気中の水蒸気によって多くの波長で吸収されるため、ほとんどの赤外線望遠鏡は、できるだけ大気圏外の乾燥した高地に設置されている。宇宙にも赤外線観測所があり、スピッツァー宇宙望遠鏡、ハーシェル宇宙望遠鏡、そして最近ではジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などがある。[ 3 ]
赤外線の発見は、ウィリアム・ハーシェルによるものとされています。彼は1800年に、プリズムを通したさまざまな色の太陽光に温度計を置く実験を行いました。[ 1 ]彼は、太陽光によって引き起こされる温度上昇が、可視スペクトルの外側、赤色のすぐ外側で最も高いことに気づきました。赤外線波長で温度上昇が最も高かったのは、太陽の特性ではなくプリズムのスペクトル応答によるものでしたが、温度上昇が全くあったという事実から、ハーシェルは太陽から目に見えない放射線が出ていると推測しました。彼はこの放射線を「熱線」と名付け、可視光と同じように反射、透過、吸収されることを示しました。[ 1 ]
1830年代から19世紀にかけて、他の天体からの赤外線放射を検出する試みが続けられた。月からの放射は、1856年にスコットランド王室天文官のチャールズ・ピアッツィ・スミスが、山頂天文学に関する自身の考えを検証するためにテネリフェ島へ遠征した際に初めて検出された。アーネスト・フォックス・ニコルズは、アークトゥルスとベガからの赤外線放射を検出するために改良型クルックス放射計を使用したが、ニコルズはその結果を決定的なものとはみなさなかった。それでも、彼が報告した2つの星のフラックス比は現代の値と一致しているため、ジョージ・リーケはニコルズが太陽以外の星の赤外線を初めて検出した人物であると評価している。[ 2 ]
赤外線天文学の分野は、セス・バーンズ・ニコルソンとエジソン・ペティットが正確な赤外線測光が可能で数百個の星に感度を持つ熱電対検出器を開発したことで、20世紀初頭にゆっくりと発展を続けました。この分野は、1960年代まで従来の天文学者にはほとんど無視されていました。赤外線天文学を実践していた科学者のほとんどは、実際には物理学者として訓練を受けていました。1950年代と1960年代の電波天文学の成功と赤外線検出器技術の進歩が相まって、より多くの天文学者が注目するようになり、赤外線天文学は天文学のサブ分野として確立されました。[ 2 ] [ 5 ]
赤外線宇宙望遠鏡が運用を開始した。初期の赤外線全天調査は、アメリカ空軍が観測ロケットを使用して実施した。[ 6 ] 1983年、IRASは全天調査を実施した。1995年、欧州宇宙機関は赤外線宇宙天文台を設立した。この衛星は1998年に液体ヘリウムが枯渇する前に、宇宙（土星や天王星にも）で原始星と水を発見した。[ 7 ]
2003年8月25日、NASAはスピッツァー宇宙望遠鏡（旧称：宇宙赤外線望遠鏡施設）を打ち上げました。2009年、この望遠鏡は液体ヘリウムを使い果たし、遠赤外線を観測する能力を失いました。それまでに、恒星、二重らせん星雲、太陽系外惑星からの光などを発見していました。その後も3.6マイクロメートル帯と4.5マイクロメートル帯での観測は続けられました。それ以来、他の赤外線望遠鏡が、形成中の新しい恒星、星雲、星形成領域の発見に貢献してきました。赤外線望遠鏡は、銀河の全く新しい領域を私たちに開拓してくれました。また、クエーサーのような極めて遠方の天体を観測するのにも役立ちます。クエーサーは地球から遠ざかっています。その結果生じる大きな赤方偏移により、光学望遠鏡では観測が困難です。赤外線望遠鏡は、クエーサーについてより多くの情報を提供してくれます。
2008年5月、国際的な赤外線天文学者グループが、銀河間塵が遠方の銀河の光を大きく弱めていることを証明した。実際には、銀河は見た目の明るさのほぼ2倍の明るさを持っている。塵は可視光の多くを吸収し、赤外線として再放出するのだ。
可視光よりわずかに波長が長い赤外線は近赤外線と呼ばれ、可視光と非常によく似た振る舞いをし、同様の固体素子を用いて検出することができます（このため、多くのクエーサー、恒星、銀河が発見されました）。このため、近赤外線領域は近紫外線とともに「光学」スペクトルの一部として一般的に組み込まれています。ケック天文台などの多くの光学望遠鏡は、可視光波長だけでなく近赤外線でも効果的に動作します。遠赤外線はサブミリ波まで広がり、マウナケア天文台のジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡などの望遠鏡で観測されます。
他のすべての電磁波と同様に、赤外線は天文学者が宇宙を研究するために利用されています。実際、 2MASSおよびWISE天文調査によって取得された赤外線測定は、これまで発見されていなかった星団を明らかにするのに特に効果的でした。[ 10 ] [ 11 ]このような埋め込まれた星団の例としては、FSR 1424、FSR 1432、Camargo 394、Camargo 399、Majaess 30、および Majaess 99があります。 [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]赤外線望遠鏡は、ほとんどの主要な光学望遠鏡と少数の専用の赤外線望遠鏡を含み、液体窒素で冷却され、高温の物体から遮蔽される必要があります。その理由は、数百ケルビンの温度の物体は、熱エネルギーの大部分を赤外線波長で放出するためです。赤外線検出器を冷却しないと、検出器自体からの放射がノイズとなり、あらゆる天体からの放射をはるかに凌駕してしまう。これは特に中赤外線および遠赤外線領域において重要である。
より高い角度分解能を実現するために、赤外線望遠鏡を組み合わせて天文干渉計を構成することがあります。干渉計の実効分解能は、個々の望遠鏡の大きさではなく、望遠鏡間の距離によって決まります。ケック天文台にある2台の10メートル望遠鏡や、超大型望遠鏡干渉計（VLT）を構成する4台の8.2メートル望遠鏡など、赤外線干渉計は補償光学と併用することで、高い角度分解能を実現できます。
地上望遠鏡による赤外線感度の主な制限要因は、地球の大気です。水蒸気は相当量の赤外線を吸収し、大気自体も赤外線波長で放射します。このため、ほとんどの赤外線望遠鏡は、大気中の水蒸気の大部分よりも高い、非常に乾燥した高地に設置されています。地球上の適切な場所としては、海抜4205メートルのマウナケア天文台、チリの2635メートルのパラナル天文台、南極のドームCのような高地氷砂漠地域などが挙げられます。高地であっても、地球の大気の透明度は、赤外線ウィンドウ、つまり地球の大気が透明な波長を除いて制限されています。[ 15 ]主な赤外線ウィンドウは以下のとおりです。
可視光望遠鏡と同様に、宇宙は赤外線望遠鏡にとって理想的な場所です。宇宙にある望遠鏡は、地球の大気によるぼやけの影響を受けず、また地球の大気による赤外線の吸収も受けないため、より高い解像度を実現できます。現在、宇宙にある赤外線望遠鏡には、ハーシェル宇宙望遠鏡、スピッツァー宇宙望遠鏡、広視野赤外線探査機、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などがあります。望遠鏡を軌道上に設置するには費用がかかるため、成層圏赤外線天文台やカイパー空中天文台などの航空機搭載型天文台もあります。これらの天文台は、大気の大部分の上空を飛行しますが、大気中の水蒸気が宇宙からの赤外線の一部を吸収します。
研究用望遠鏡で最も一般的に使用されている赤外線検出器アレイの一つは、HgCdTeアレイです。これらは0.6～5マイクロメートルの波長域で良好な性能を発揮します。より長波長の観測や高感度の観測には、他の狭ギャップ半導体検出器、低温ボロメータアレイ、光子計数型超伝導トンネル接合アレイなど、他の検出器が使用される場合があります。
赤外線天文学における特別な要件としては、長時間の積分を可能にするための極めて低い暗電流、それに伴う低ノイズの読み出し回路、そして場合によっては非常に高い画素数などが挙げられる。
低温は冷却剤によって実現されることが多いが、冷却剤は枯渇する可能性がある。[ 16 ]宇宙ミッションは、冷却剤が枯渇すると、終了するか、「高温」観測に移行してきた。[ 16 ]例えば、WISEは打ち上げから約10か月後の2010年10月に冷却剤が枯渇した。[ 16 ] （ NICMOS 、スピッツァー宇宙望遠鏡も参照）
多くの宇宙望遠鏡は、赤外線波長域と少なくともある程度重なる波長域の電磁波を検出します。そのため、どの宇宙望遠鏡が赤外線望遠鏡であるかを定義するのは困難です。ここでは、「赤外線宇宙望遠鏡」とは、赤外線を検出することを主な任務とする宇宙望遠鏡と定義します。
これまでに8基の赤外線宇宙望遠鏡が宇宙空間で運用されてきた。それらは以下の通りである。
NASAは、当初は広視野赤外線宇宙望遠鏡（WFIRST）として知られていたナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡（NGRST）を2027年に打ち上げる計画も立てている。 [ 18 ]
他にも多くの小型宇宙ミッションや宇宙空間に設置された赤外線検出器が宇宙空間で運用されてきた。これらには、スペースシャトルに搭載された赤外線望遠鏡（IRT）が含まれる。
サブミリ波天文衛星（SWAS）は、サブミリ波衛星であるにもかかわらず、赤外線衛星として言及されることがある。
多くの宇宙望遠鏡では、赤外線観測が可能な機器はごく一部に限られています。以下に、特に注目すべき宇宙天文台と観測機器をいくつか挙げます。
赤外線による天体観測には、3つの航空機搭載型観測所が使用されてきました（赤外線宇宙研究のために他の航空機が使用されることもあります）。それらは以下のとおりです。
世界には多くの地上赤外線望遠鏡が存在する。その中でも最大規模のものは以下の通りである。
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