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Mar 25, 2023

Astrobites-Leitfaden zur Polarimetrie

von Briley Lewis | 23. Okt. 2022 | Anleitungen | 0 Kommentare Von Briley Lewis Eine kurze Zusammenfassung

von Briley Lewis | 23. Okt. 2022 | Anleitungen | 0 Kommentare

Von Briley Lewis

Eine kurze Einführung in polarisiertes Licht

Licht ist eine elektromagnetische Welle – und ihr elektrisches Feld ist nicht immer in die gleiche Richtung ausgerichtet. Die Ausrichtung des elektrischen Feldes des Lichts definiert seinen „Polarisationszustand“. In diesem Leitfaden sprechen wir darüber, was Polarisation ist, wie sie vom Kosmos erzeugt wird und wie wir sie beobachten können.

Wir kategorisieren die Polarisation hauptsächlich in drei Kategorien: unpolarisiertes Licht, linear polarisiertes Licht und elliptisch polarisiertes Licht. Unpolarisiertes Licht (auch natürliches Licht genannt) lässt sich besser als zufällig polarisiertes Licht beschreiben; Das heißt, viele Lichtquellen sind eine Ansammlung von Emittern, bei denen sich die Polarisation des emittierten Lichts sehr häufig und zufällig ändert. Dies ist ein Extrem, und oft ist Licht auf irgendeine Weise teilweise polarisiert. Linear polarisiertes Licht hat eine konstante Ausrichtung des elektrischen Feldes (obwohl die Stärke der Welle noch variieren kann). Elliptisch polarisiertes Licht hat ein elektrisches Feld, dessen Vektor rotiert und eine Ellipse zeichnet. Ein Beispiel dafür ist zirkular polarisiertes Licht, bei dem sowohl die x- als auch die y-Richtung den gleichen Betrag haben. Einige dieser Fälle sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Wir können die Polarisation mathematisch mithilfe von Matrizen beschreiben. Stokes-Vektoren (auch bekannt als Stokes-Parameter) sind hierfür eine nützliche Möglichkeit. Es gibt vier Parameter: I, Q, U und V. I ist die Gesamtintensität, Q beschreibt die lineare Polarisation (horizontal oder vertikal, je nach Vorzeichen) und U beschreibt die Polarisation an einem zweiten Satz orthogonaler Achsen (+/-). 45 Grad) und V beschreibt die elliptische Polarisation (rechtshändig, wenn >0, linkshändig <0). Sie sind wie folgt definiert:

Für vollständig polarisiertes Licht gilt I2 = Q2 + U2 + V2. Für ein teilweise polarisiertes System ist der Polarisationsgrad durch P = (Q2 + U2 + V2)½ / I gegeben. Ein anschauliches Beispiel für Stokes-Vektoren für verschiedene Polarisationszustände finden Sie in Tabelle 8.5 von Hecht. In ähnlicher Weise können die Operationen verschiedener Polarisatoren auf Stokes-Vektoren durch Mueller-Matrizen beschrieben werden.

Was im Universum erzeugt polarisiertes Licht?

Die Polarisation kann durch Dichroismus, Reflexion, Streuung oder Doppelbrechung (mehr zu Dichroismus und Doppelbrechung im nächsten Abschnitt!) sowie durch andere elektromagnetische Effekte beeinflusst werden. Einige Strahlungsprozesse, wie etwa Synchrotronstrahlung, erzeugen natürlicherweise auch polarisiertes Licht.

Licht kann durch Streuung aufgrund von Wechselwirkungen mit Elektronen polarisiert werden. Bei unpolarisiertem einfallendem Licht bleibt das entlang der Einfallsachse gestreute Licht unverändert und in orthogonalen Winkeln (90 Grad) gestreutes Licht wird linear polarisiert. Abhängig von der Größe des Partikels im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichts kann die Streuung komplizierter sein: Die Rayleigh-Streuung beschreibt, was passiert, wenn die Partikel viel kleiner als die Wellenlänge sind, und die Mie-Streuung beschreibt die Streuung allgemeiner.

Licht kann auch durch Reflexion an einem dielektrischen Medium polarisiert werden, wobei nur eine Komponente der einfallenden Polarisation reflektiert und die andere gebrochen wird. Das Brewstersche Gesetz beschreibt den Winkel, in dem der reflektierte Strahl vollständig polarisiert ist, und Abweichungen von diesem Winkel werden teilweise polarisiert.

Einige Beispiele für Situationen, die in der Astronomie polarisiertes Licht erzeugen, sind:

Wie messen wir Polarisation?

Um herauszufinden, wie viel des einfallenden Lichts polarisiert ist, müssen wir eine Art Polarisator verwenden – einen Filter, der das Licht in seine Bestandteile zerlegt oder nur eine bestimmte Polarisation des Lichts durchlässt. Wie Hecht in seinem Lehrbuch „Optik“ sagt, muss für die Funktion von Polarisatoren „eine Art Asymmetrie mit dem Prozess verbunden sein“.

Einige Polarisatoren verwenden Dichroismus, bei dem nur ein Polarisationszustand selektiv absorbiert wird und der andere orthogonale Polarisationszustand problemlos durchgelassen wird. Einige Kristalle sind von Natur aus dichroitisch, ebenso wie Polaroidfilter. Ein weiterer häufig genutzter Effekt ist die Doppelbrechung. Das bedeutet, dass eine Substanz aufgrund der Anordnung der darin enthaltenen Atome unterschiedliche Brechungsindizes aufweist. Bestimmte doppelbrechende Kristalle können Licht in orthogonale Polarisationszustände aufspalten. Ein nützliches Beispiel in der Astronomie ist das Wollaston-Prisma, das in vielen Instrumenten als polarisierender Strahlteiler dient.

Eine weitere wichtige Art von Optik ist die sogenannte Wellenplatte, die die Polarisation des Lichts in Ihrem einfallenden Strahl verändert. Eine Vollwellenplatte erzeugt eine Phasendifferenz von 360 Grad (2π Bogenmaß), während eine Halbwellenplatte eine Phasendifferenz von 180 Grad (π Bogenmaß) induziert und eine Viertelwellenplatte die Phase um 90 Grad (π/2 Bogenmaß) verschiebt ). Es gibt auch Polarisatoren, die eine zirkulare Polarisation induzieren, beispielsweise die Kombination aus einem linearen Polarisator und einer Wellenplatte.

Was macht also ein astronomisches Polarimeter aus? Zumindest im optischen/infraroten Bereich gibt es normalerweise eine Art Strahlteiler, wie ein Wollaston-Prisma, der das Licht in zwei orthogonale Polarisationen aufteilt, sowie eine Halbwellenplatte, die es dem Beobachter ermöglicht, die Polarisation zu modulieren, um das Instrument zu kalibrieren Auswirkungen. (Sie können hier als Beispiel ausführlich über das Polarimeter Gemini Planet Imager lesen!)

Über die optische und IR-Messung hinaus gibt es auch andere Methoden zur Messung der Polarimetrie. Radioteleskope können Polarisation erkennen, da sie im Wesentlichen den Zustand des elektrischen Feldes aufzeichnen, und andere Arten von Detektoren für hochenergetisches Licht wie Röntgenstrahlen (z. B. Gaspixeldetektoren) wurden ebenfalls zur Messung der Polarisation entwickelt.

Einige aktuelle Observatorien mit Polarimetrie-Fähigkeiten und ihre coolen wissenschaftlichen Ergebnisse (plus relevante Astrobites!)

IXPE [The Imaging X-Ray Polarimetry Explorer] – Die kürzlich gestartete NASA-Mission IXPE wird nach Polarisation aus einigen extremen Quellen wie Supernovae, AGN und Pulsaren suchen! Halten Sie Ausschau nach den ersten Ergebnissen, die schon bald erscheinen.

VLT/SPHERE – SPHERE konzentriert sich auf die Charakterisierung und Erkennung von Exoplaneten, einschließlich der äußerst coolen Entdeckung von PDS 70b, einem sehr jungen, sich bildenden Planeten, der noch in seiner Scheibe eingebettet ist.

Gemini Planet Imager – Wie bereits kurz erwähnt, hat der Gemini Planet Imager nicht nur Planeten, sondern auch Trümmerscheiben fotografiert! Und das geschah in polarisiertem Licht mithilfe der polarimetrischen Differentialbildgebung, einer Technik, die das Sternenlicht vom Licht der Scheibe trennt. Sie verfügen über eine ganze Übersichtsstichprobe polarisierter Trümmerscheiben sowie einige ausführliche Studien zu einzelnen Scheiben!

Subaru/SCExAO/CHARIS – Das CHARIS-Instrument am Subaru-Teleskop kann Spektropolarimetrie [Untersuchung der Polarisation in mehreren Wellenlängen] im Infrarotbereich durchführen, einschließlich polarimetrischer Differentialbildgebung (CHARIS-PDI), die für die Suche nach Exoplaneten und Scheiben nützlich ist. Sie haben einige coole Aufnahmen von Jets junger T-Tauri-Sterne und Trümmerscheiben gemacht!

ALMA – Polarimetrie funktioniert bei Radioteleskop-Arrays wie ALMA etwas anders, aber sie machen es möglich. ALMA war der Schlüssel zum Verständnis der Magnetfelder von Objekten im gesamten Universum, wie zum Beispiel der interessanten und extremen Supernova AT2018cow!

Event Horizon Telescope – Ähnlich wie ALMA, da es sich ein wenig von einem „normalen“ Einzelteleskop unterscheidet, gelang es dem EHT-Array, eines der bisher extremsten Beispiele für Polarisation zu messen – das polarisierte Licht aus der staubigen Region um das supermassereiche Schwarze Loch von M87!

HARPS – HARPS, der berühmte Spektrograph der ESO, verfügt jetzt über polarimetrische Funktionen! Es ist in der Lage, Spektropolarimetrie durchzuführen, die dabei helfen kann, die Magnetfelder von Sternen zu verstehen.

SOFIA HAWC+ – Das fliegende Observatorium SOFIA verfügt über ein einzigartiges Ferninfrarot-Bildgebungspolarimeter namens HAWC+, mit dem Sternentstehungsregionen und Emissionen in einem staubigen Torus um einen aktiven galaktischen Kern untersucht wurden.

Es gibt definitiv mehr Polarimeter und wissenschaftliche Fälle als hier erwähnt, aber hoffentlich ist dies ein nützlicher Anfang, wenn Sie in Ihrer Forschung über Polarimetrie nachdenken oder einfach nur versuchen, mehr zu lernen!

Astrobite herausgegeben von: Jessie Thwaites und Sabina Sagynbayeva

Ausgewählter Bildnachweis: Encyclopedia Britannica

Ressourcen:

ESO-Polarimetrie

Polarimetrie: Ein leistungsstarkes Diagnosewerkzeug in der Astronomie

Astronomische Polarimetrie (Dissertation)

[Buch] Kolokolova, L., Hough, J., & Levasseur-Regourd, A. (Hrsg.). (2015). Polarimetrie von Sternen und Planetensystemen. Cambridge: Cambridge University Press. doi:10.1017/CBO9781107358249

[Lehrbuch] Hecht, Eugene. Optik. Pearson Education, 2012.