Découvert au début du XIX^e siècle par l'astronome William Herschel, qui étudiait la chaleur associée aux différentes couleurs du spectre solaire, le rayonnement infrarouge est souvent perçu comme de la chaleur. En réalité, tout objet dont la température est supérieure au zéro absolu émet un rayonnement infrarouge, dont l'intensité et la longueur d'onde dominante dépendent de la température de l'objet. Plus un corps est chaud, plus il émet d'infrarouges et plus la longueur d'onde du maximum d'émission se déplace vers les courtes longueurs d'onde. C'est ce principe qui permet aux caméras thermiques de visualiser les différences de température : elles détectent le rayonnement infrarouge émis par les objets, les êtres vivants ou les bâtiments, et le transforment en image visible.

Le domaine infrarouge est généralement subdivisé en plusieurs sous-bandes, selon la longueur d'onde. 

• L'infrarouge proche, de 0,7 à 1,4 micromètre environ, est le plus proche du visible et se comporte presque comme la lumière : il peut être réfléchi, transmis ou absorbé par certains matériaux, et il est utilisé par exemple dans les télécommandes, les fibres optiques ou certaines techniques d'imagerie. 

• L'infrarouge moyen, de 1,4 à 3 micromètres, et l'infrarouge lointain, au-delà de 3 micromètres jusqu'à 1 millimètre, sont davantage associés à l'émission thermique des corps. 

• L'infrarouge lointain représente l'essentiel du rayonnement émis par les objets à température ambiante ou par le corps humain, dont la température d'environ 37°C correspond à un pic d'émission autour de 10 micromètres.

En médecine, la thermographie infrarouge est utilisée pour détecter des inflammations, des troubles circulatoires ou des tumeurs superficielles, car les zones anormales présentent souvent une température différente de celle des tissus sains. En kinésithérapie ou en physiothérapie, les lampes à infrarouge servent à chauffer en profondeur les muscles et les articulations pour soulager la douleur et favoriser la récupération. Dans l'industrie, les capteurs infrarouges servent à mesurer la température sans contact, à contrôler des procédés de fabrication, à détecter des défauts dans les matériaux ou à analyser la composition chimique de substances par spectroscopie infrarouge, une technique fondée sur l'absorption de certaines longueurs d'onde par les liaisons moléculaires.

Dans la vie quotidienne, le rayonnement infrarouge est omniprésent sans que nous en ayons conscience. Les télécommandes de téléviseurs ou de climatiseurs envoient des impulsions infrarouges codées vers un récepteur. Les fours à infrarouge, les grille-pain, les plaques de cuisson ou les radiateurs dits radiants utilisent ce type de rayonnement pour chauffer directement les aliments ou les surfaces, sans nécessairement chauffer l'air ambiant. Les détecteurs de mouvement, les systèmes d'alarme, les portes automatiques ou les capteurs de présence reposent souvent sur la détection du rayonnement infrarouge émis par le corps humain.

Contrairement aux ultraviolets ou aux rayons X, le rayonnement infrarouge n'est pas ionisant. Son énergie est trop faible pour arracher des électrons aux atomes et provoquer des dommages directs à l'ADN. Son effet principal est thermique : une exposition prolongée et intense peut provoquer une sensation de chaleur, voire des brûlures superficielles, notamment au niveau de la peau et des yeux. C'est pourquoi il est recommandé de ne pas regarder directement une source infrarouge puissante et de respecter les distances de sécurité avec les appareils de chauffage par infrarouge.

Le rayonnement infrarouge joue un rôle fondamental dans le bilan énergétique de la Terre. L'énergie solaire reçue par notre planète est en grande partie réémise vers l'espace sous forme d'infrarouges. Certains gaz présents dans l'atmosphère, comme la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone ou le méthane, absorbent une partie de ce rayonnement infrarouge et le réémettent vers le sol, contribuant ainsi à l'effet de serre naturel qui maintient une température moyenne d'environ 15 °C à la surface du globe. Sans ce phénomène, la Terre serait beaucoup plus froide et probablement impropre à la vie telle que nous la connaissons. Toutefois, l'augmentation de la concentration de ces gaz due aux activités humaines intensifie cet effet, ce qui constitue l'une des causes principales du réchauffement climatique actuel. 

L'astronomie infrarouge.
L'astronomie infrarouge est la discipline de l'astrophysique consacrée à l'observation et à l'analyse du rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est supérieure à celle de la lumière visible, s'étendant approximativement de 0,7 micromètre à 1 millimètre, juste avant le domaine des micro-ondes. En astronomie, l'infrarouge est souvent associé au rayonnement thermique, car tout corps possédant une température supérieure au zéro absolu émet une partie de son énergie dans ces longueurs d'onde. Plus un objet est froid, plus le pic de son émission se décale vers l'infrarouge lointain, faisant de cette fenêtre spectrale un outil indispensable pour étudier les composants les plus froids de l'univers.

Le principal obstacle au développement de l'astronomie infrarouge a longtemps été l'atmosphère terrestre. Contrairement à la lumière visible ou aux ondes radio, le rayonnement infrarouge est massivement absorbé par des molécules très présentes dans notre atmosphère. Seules quelques "fenêtres" spectrales étroites permettent à une fraction de ce rayonnement d'atteindre le sol. Pour contourner cette opacité, les astronomes ont dû installer leurs télescopes dans des environnements extrêmement secs et en haute altitude, comme au sommet du Mauna Kea à Hawaii ou dans le désert d'Atacama au Chili. Parallèlement, ils ont développé des observatoires aéroportés, qui embarquent des télescopes à bord d'avions capables de voler au-dessus de la majeure partie de la vapeur d'eau atmosphérique, comme ce fut le cas avec le Kuiper Airborne Observatory puis le SOFIA, avant que l'ère des télescopes spatiaux ne vienne révolutionner la discipline en s'affranchissant totalement de l'écran atmosphérique.

L'histoire de cette discipline est jalonnée de missions spatiales transformatrices. Après le succès pionnier du satellite IRAS en 1983, qui a réalisé la première cartographie complète du ciel en infrarouge et découvert des disques de débris autour d'autres étoiles, des observatoires comme ISO, Spitzer, Herschel et WISE ont profondément remodelé notre vision du cosmos. Aujourd'hui, le JWST, avec son miroir primaire de 6,5 mètres de diamètre recouvert d'or et ses instruments de pointe, domine la discipline et repousse chaque jour les frontières de l'observable. L'observation infrarouge doit cependant relever des défis technologiques colossaux, principalement liés au bruit thermique. Puisque tout objet chaud émet dans l'infrarouge, le télescope lui-même, ses instruments et même les détecteurs produisent un rayonnement parasite qui peut éblouir les capteurs et noyer le faible signal des astres lointains. Pour résoudre ce problème, les télescopes infrarouges spatiaux doivent être refroidis à des températures cryogéniques extrêmes, proches du zéro absolu. Les missions passées comme Spitzer ou Herschel embarquaient des réservoirs d'hélium liquide superfluide pour refroidir leurs instruments, limitant ainsi leur durée de vie à l'épuisement du liquide cryogénique. Le télescope spatial James Webb (JWST) a introduit une approche différente en combinant un immense pare-soleil à plusieurs couches pour un refroidissement passif et un cryorefroidisseur mécanique actif, permettant à certains de ses instruments d'atteindre des températures de l'ordre de 7 kelvins sans limitation de durée liée à un fluide consommable.

Le second avantage réside dans la détection des objets froids et peu lumineux. De nombreux corps célestes n'émettent pas ou très peu de lumière visible, mais rayonnent abondamment dans l'infrarouge en raison de leur chaleur résiduelle ou de leur faible température de surface. C'est le cas des naines brunes, ces étoiles ratées dont la masse est insuffisante pour enclencher la fusion nucléaire de l'hydrogène, mais aussi des exoplanètes géantes, des comètes, des astéroïdes et de la poussière interstellaire elle-même. L'étude de ces émissions thermiques permet de déterminer la température, la composition chimique et la structure de ces objets invisibles autrement.

L'infrarouge est devenu par ailleurs la clé de voûte de l'étude de l'univers lointain et primordial. En raison de l'expansion de l'univers, la lumière émise par les toutes premières étoiles et les galaxies primordiales, il y a plus de 13 milliards d'années, a vu sa longueur d'onde s'étirer au cours de son voyage vers nous. Ce phénomène, connu sous le nom de décalage vers le rouge cosmologique (redshift), fait que la lumière originellement ultraviolette ou visible de ces objets fossiles nous parvient aujourd'hui sous forme de rayonnement infrarouge. Observer l'Univers dans l'infrarouge revient donc à remonter le temps pour assister à l'aube cosmique, à la formation des premières structures et à la réionisation de l'Univers, des époques inaccessibles aux télescopes optiques classiques.