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Mar 25, 2023

Astrobites Guía de Polarimetría

de Briley Lewis | 23 de octubre de 2022 | Guías | 0 comentarios Por Briley Lewis Un resumen

de Briley Lewis | 23 de octubre de 2022 | Guías | 0 comentarios

por Briley Lewis

Una breve introducción a la luz polarizada

La luz es una onda electromagnética y su campo eléctrico no siempre está orientado en la misma dirección. La orientación del campo eléctrico de la luz define su "estado de polarización". En esta guía, hablaremos sobre qué es la polarización, cómo la produce el cosmos y cómo podemos observarla.

Clasificamos la polarización de tres maneras principales: luz no polarizada, luz polarizada linealmente y luz polarizada elípticamente. La luz no polarizada (también conocida como luz natural) se describe mejor como luz polarizada al azar; es decir, muchas fuentes de luz son una colección de emisores donde la polarización de la luz emitida cambia con mucha frecuencia y al azar. Este es un extremo y, a menudo, la luz está parcialmente polarizada de alguna manera. La luz polarizada linealmente tiene una orientación constante del campo eléctrico (aunque la magnitud de la onda puede variar aún). La luz polarizada elípticamente tiene un campo eléctrico cuyo vector gira, trazando una elipse. La luz polarizada circularmente es un caso de esto, donde ambas direcciones x e y tienen la misma magnitud. Algunos de estos casos se ilustran en la siguiente figura.

Podemos describir la polarización matemáticamente usando matrices. Los vectores de Stokes (también conocidos como parámetros de Stokes) son una forma útil de hacerlo. Hay cuatro parámetros: I, Q, U y V. I es la intensidad total, Q describe la polarización lineal (horizontal o vertical, según el signo) y U describe la polarización en un segundo conjunto de ejes ortogonales (+/- 45 grados), y V describe la polarización elíptica (diestro si >0, zurdo<0). Se definen de la siguiente manera:

Para luz completamente polarizada, I2 = Q2 + U2 + V2. Para un sistema parcialmente polarizado, el grado de polarización viene dado por P = (Q2 + U2 + V2)½ / I. Consulte la Tabla 8.5 de Hecht para ver un ejemplo ilustrativo de vectores de Stokes para varios estados de polarización. De manera similar, las matrices de Mueller pueden describir las operaciones de diferentes polarizadores en vectores de Stokes.

¿Qué en el universo crea luz polarizada?

La polarización puede verse afectada por dicroísmo, reflexión, dispersión o birrefringencia (¡más sobre dicroísmo y birrefringencia en la siguiente sección!), así como otros efectos electromagnéticos. Algunos procesos de radiación, como la radiación de sincrotrón, también producen luz polarizada de forma natural.

La luz se puede polarizar por dispersión debido a las interacciones con los electrones. Para la luz incidente no polarizada, la luz dispersada a lo largo del eje incidente no se verá alterada y la luz dispersada en ángulos ortogonales (90 grados) estará polarizada linealmente. La dispersión puede ser más complicada según el tamaño de la partícula en relación con la longitud de onda de la luz: la dispersión de Rayleigh describe lo que sucede cuando las partículas son mucho más pequeñas que la longitud de onda, y la dispersión de Mie describe la dispersión de manera más general.

La luz también se puede polarizar por reflexión en un medio dieléctrico, donde solo se reflejará un componente de la polarización entrante y se refractará el otro. La ley de Brewster describe el ángulo donde el rayo reflejado estará completamente polarizado y las desviaciones de ese ángulo estarán parcialmente polarizadas.

Algunos ejemplos de situaciones que crean luz polarizada en astronomía son:

¿Cómo medimos la polarización?

Para determinar qué cantidad de la luz entrante está polarizada, necesitamos usar algún tipo de polarizador, un filtro que separa la luz en sus componentes, o solo deja pasar una cierta polarización de la luz. Como dice Hecht en su libro de texto de Óptica, para que los polarizadores funcionen "debe haber algún tipo de asimetría asociada con el proceso".

Algunos polarizadores usan dicroísmo, donde solo un estado de polarización se absorbe selectivamente, y el otro estado de polarización ortogonal pasa perfectamente. Algunos cristales son naturalmente dicroicos, al igual que los filtros Polaroid. Otro efecto comúnmente aprovechado es la birrefringencia, lo que significa que una sustancia tiene diferentes índices de refracción debido a la disposición de los átomos en su interior. Ciertos cristales birrefringentes pueden dividir la luz en estados de polarización ortogonal. Un ejemplo útil en astronomía es el prisma de Wollaston, que sirve como divisor de haz polarizador en muchos instrumentos.

Otro tipo importante de óptica se conoce como placa de onda, algo que cambia la polarización de la luz en su haz entrante. Una placa de onda completa crea una diferencia de fase de 360 ​​grados (2π radianes), mientras que una placa de media onda induce una diferencia de fase de 180 grados (π radianes) y una placa de un cuarto de onda cambia la fase 90 grados (π/2 radianes). ). También hay polarizadores que inducen polarización circular, como la combinación de un polarizador lineal y una placa de ondas.

Entonces, ¿qué hace un polarímetro astronómico? Al menos en óptica/infrarroja, suele haber algún tipo de divisor de haz, como un prisma de Wollaston, que divide la luz en dos polarizaciones ortogonales, además de una placa de media onda que permite al observador modular la polarización para calibrar el instrumento. efectos (¡Puede leer en detalle sobre el polarímetro Gemini Planet Imager aquí como ejemplo!)

Más allá de la óptica y el IR, también hay otras formas de medir la polarimetría. Los radiotelescopios pueden detectar la polarización ya que esencialmente registran el estado del campo eléctrico, y también se han diseñado otros tipos de detectores de luz de alta energía como los rayos X (por ejemplo, detectores de píxeles de gas) para medir la polarización.

Algunos observatorios actuales con capacidades de polarimetría y sus geniales resultados científicos (¡además de Astrobites relevantes!)

IXPE [The Imaging X-Ray Polarimetry Explorer]: ¡la misión IXPE de la NASA recientemente lanzada buscará polarización de algunas fuentes extremas, como supernovas, AGN y púlsares! Esté atento a sus primeros resultados muy pronto.

VLT/SPHERE — SPHERE se centra en la caracterización y detección de exoplanetas, incluida la detección tremendamente fría de PDS 70b, un planeta en formación muy joven que aún está incrustado en su disco.

Gemini Planet Imager — Brevemente mencionado anteriormente, Gemini Planet Imager no solo tomó imágenes de planetas, ¡también tomó imágenes de discos de escombros! Y lo hizo en luz polarizada, utilizando imágenes diferenciales polarimétricas, una técnica que separa la luz de las estrellas de la luz del disco. ¡Tienen una muestra de estudio completa de discos de escombros polarizados, además de algunos estudios en profundidad de discos individuales!

Subaru/SCExAO/CHARIS — El instrumento CHARIS del Telescopio Subaru puede realizar espectropolarimetría [observar la polarización en múltiples longitudes de onda] en el infrarrojo, incluida la obtención de imágenes diferenciales polarimétricas (CHARIS-PDI), que es útil para encontrar exoplanetas y discos. ¡Han hecho algunas imágenes geniales de chorros de estrellas jóvenes T Tauri y discos de escombros!

ALMA — La polarimetría funciona un poco diferente para conjuntos de radiotelescopios como ALMA, pero lo hacen posible. ¡ALMA ha sido clave para comprender los campos magnéticos de los objetos en todo el Universo, como la interesante y extrema supernova AT2018cow!

Telescopio Event Horizon — Similar a ALMA en que es un poco diferente de un solo telescopio "normal", la matriz EHT logró medir uno de los ejemplos más extremos de polarización hasta el momento: ¡la luz polarizada de la región polvorienta alrededor del agujero negro supermasivo de M87!

HARPS — HARPS, el famoso espectrógrafo de ESO, ¡ahora tiene capacidades polarimétricas! Es capaz de espectropolarimetría, lo que puede ayudar a comprender los campos magnéticos de las estrellas.

SOFIA HAWC+: el observatorio aerotransportado SOFIA tiene un polarímetro de imágenes de infrarrojo lejano único llamado HAWC+ que se ha utilizado para observar las regiones de formación estelar y la emisión en un toroide polvoriento alrededor de un núcleo galáctico activo.

Definitivamente hay más polarímetros y casos científicos que los mencionados aquí, pero espero que este sea un comienzo útil si está pensando en la polarimetría en su investigación o simplemente tratando de aprender más.

Astrobite editado por: Jessie Thwaites y Sabina Sagynbayeva

Crédito de la imagen destacada: Enciclopedia Británica

Recursos:

Polarimetría de ESO

Polarimetría: una poderosa herramienta de diagnóstico en astronomía

Polarimetría Astronómica (tesis)

[Libro] Kolokolova, L., Hough, J. y Levasseur-Regourd, A. (Eds.). (2015). Polarimetría de Estrellas y Sistemas Planetarios. Cambridge: Prensa de la Universidad de Cambridge. doi:10.1017/CBO9781107358249

[Libro de texto] Hecht, Eugene. Óptica. Pearson Educación, 2012.