9. Polarimetria. Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, Kevät 2014 Veli-Matti Pelkonen (Kalvot JN, TH, MG & VMP)

Transkriptio

1 9. Polarimetria Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, Kevät 2014 Veli-Matti Pelkonen (Kalvot JN, TH, MG & VMP) 1

2 9. Polarimetria 1. Stokesin parametrit 2. Polarisaatio tähtitieteessä 3. Polarisaattorit 4. CCD polarimetria 5. Polarisaatiostandardit 6. Lineaaripolarimetria 7. Ympyräpolarimetria 8. Spektropolarimetria

3 9.1 Stokesin parametrit <- Lineaaripolarisaatio Elliptinen (tai ympyrä-)polarisaatio ->

4 9.1 Stokesin parametrit Stokesin parametrit kuvaavat muuten täydellisesti sähkömagneettista säteilyä, mutta ei ota huomioon vaihetta Formalismi sopii vain tilanteisiin, joissa säteily ei ole koherenttia. Säteen kohdatessa optisen elementin muuttuu Stokesin vektori. Muutosta voidaan kuvata Müllerin matriisilla.

5 9.1 Stokesin parametrit Polarisoituneen valon sähkövektori piirtää taivaalla ellipsiä, jonka positiokulma θ määritellään ellipsin isoakselin ja pohjoisen väliseksi kulmaksi. Polarisoitunut valo voidaan kuvata Stokesin parametrien avulla. I on kokonaisintensiteetti, Q ja U liittyvät lineaaripolarisaation kontribuutioon ja V määrittää ympyräpolarisaation kontribuution

6 9.1 Stokesin parametrit Missä akselit) (a ja b ovat ellipsin Jos eli niin säteilyn sanotaan olevan polarisoitumatonta Polarisaatioaste P saadaan mm. kaavasta

7 9.1 Stokesin parametrit Positiokulma on: Usein käytetään ns. normeerattuja Stokesin parametreja Q/I=PQ ja U/I=PU joista saadaan polarisaatioaste Polarisaatioaste ja positiokulma voidaan mitata havainnoista, jos käytössä on sopiva mittalaite.

8 9.2 Polarisaatio tähtitieteessä Polarisaatiota mittaamalla päästään käsiksi moniin fysikaalisiin ominaisuuksiin, joihin spektreillä ja/tai fotometrialla ei päästä. esim. spatiaaliset, aikariippuvat ilmiöt Polarimetriset ilmiöt ovat usein paljon vaikeampia havaita kuin muilla menetelmillä havaittavat (signaali heikompi) Periaatteessa aina, kun valo kohtaa jotenkin orientoitunutta ainetta, se polarisoituu (esim. pöly magneettikentässä) Myös monet fysikaaliset ilmiöt tuottavat polarisoitunutta valoa.

9 9.2 Polarisaatio tähtitieteessä Negatiivista lineaaripolarisaatiota havaitaan mm. Aurinkokuntien ilmakehättömien kappaleiden pinnalla

10 9.2 Polarisaatio tähtitieteessä Komeetta Hale-Bopp normaalissa valossa ja polarisaatiomittaus Nuorta tähteä kiertävä pölykiekko

11 9.2 Polarisaatio tähtitieteessä Valon polarisaatio Linnunradassa

12 9.2 Polarisaatio tähtitieteessä Zeemanin ilmiö perustuu atomin magneettimomentin vuorovaikutuksesta ympäröivän magneettikentän kanssa Tuloksena on emissioviivan hajoaminen useampaan osaan Hajontaväli riippuu magneettikentän voimakkuudesta Viivat ovat polarisoituneita

13 9.3 Polarisaattorit optinen komponentti tai komponentteja, joilla saapuva valo muutetaan polarisoiduksi valoksi, jonka voimakkuus voidaan mitata. Suurin osa näistä perustuu nykyisin ns. kaksinaistaittaviin (birefringent) materiaaleihin (esim. kalsiitti) Tällaisilla materiaaleilla on kaksi eri taitekerrointa. Taitekerroin riippuu saapuvan säteilyvektorin värähtelysuunnasta optisen akselin suhteen. Kaksinaistaittavista materiaaleista voidaan rakentaa optisia komponentteja, jotka jakavat saapuvan valon kahdeksi säteeksi, joiden polarisaatio on toistensa suhteen 90 kääntynyt. Näitä säteitä kutsutaan o- (ordinary) ja e(extraordinary) säteiksi Myös polaroidilevyjä käytetään (kirjan polarisaattori!)

14 9.3 Polarisaattorit

15 9.3 Polarisaattorit

16 9.3 Aaltolevyt ns. aaltolevyillä voidaan mm. kääntää lineaaripolarisaation tasoa tai muuttaa ympyräpolarisaatiota lineaariseksi Ne on tehty kaksoistaittavasta (birefringent) materiaalista, usein kalsiitista mutta mm. jotkut polymeerit käyvät λ/2 ja λ/4 aaltolevyt ovat yleisimmin käytetyt

17 9.3 λ/2 aaltolevy Puoliaaltolevyllä saadaan käännettyä lineaarisen polarisaation suuntaa Siinä vaiheviive o- ja esäteiden välillä on 180 Näin jos mittausten välillä käännetään puoliaaltolevyä 0, 22.5, 45 ja 62.5 saadaan o- ja e-säteiden intensiteetti mitattua kulmilla 0, 45, 90 ja 135

18 9.3 λ/4 aaltolevy Neljäsosa-aaltolevyllä voidaan muuttaa elliptisesti- tai ympyräpolarisoitunut säteily lineaarisesti polarisoituneeksi (tai päinvastoin) Siinä vaiheviive on 90 toiselle komponentille.

19 9.3 Wedged Double Wollaston (WeDoWo) Esimerkki nykyaikaisesta CCD polarimetrisesta ratkaisusta, jossa neljä polarisaatiotilaa saadaan mitattua kerralla Haittapuolena pieni kuvakenttä

20 9.4 CCD polarimetria CCD polarimetriassa saadaan yleensä mitattua samanaikaisesti sekä o- että e-säde käyttämällä puoliaaltolevyn ja kalsiittilevyn yhdistelmää (myös polaroideja käytetään) Tällöin ilmakehän polarisaatio (ja suurin osa muistakin systemaattisista häiriöistä) voidaan jättää huomiotta Ongelmana ylläkuvatussa menetelmässä on usein melko pieni kuvakenttä ja säteiden kulmaerotus. Tätä ongelmaa ei ole jos käytetään polaroidia tms. polarisaattoria, missä päästetään vain yksi polarisaatiokulma mittalaitteelle, mutta silloin menetetään yleensä yli 60% fotoneista.

21 9.4 CCD polarimetria Mittauksissa hyvä pitää mielessä intensiteetin vaihtelu mittauksen eri vaiheissa (esim. puoliaaltolevyn eri kulmilla), jotta kohde ei saturoidu CCD -kamerassa. Varsinkin korkeasti polarisoituneilla kohteilla. Polarisaatiomittauksen redusointi tapahtuu pitkälti samaan tyyliin kuin fotometriassakin. Datapisteiden mittaus kuvasta on yleensä suhteellista fotometriaa.

22 9.4 CCD polarimetria

23 9.5 Polarisaatiostandardit Jotta polarisaatiomittaukset saadaan muunnettua vertailukelpoisiksi, on mitattava standardeja Hyviä standardeja on melko vähän ja ne voivat olla hankalia havaita

24 9.5 Nollapolarisaation standardit Mittalaitteessa on usein jonkin verran polaroivia komponentteja, joiden vaikutus tulee poistaa Tätä varten täytyy havaita kohteita, joiden polarisaatio on mahdollisimman sattumanvaraista Standardi kannattaa havaita samassa kohtaa kuin itse kohdekin

25 9.5 Nollapolarisaation standardit

26 9.5 Korkean polarisaation standardit Lineaaripolarisoituneita tähtiä, joiden positiokulma tunnetaan taivaan koordinaattien suhteen. Tarvitaan instrumenttipolarisaatiokulman muuttamiseksi johonkin haluttuun koordinaattijärjestelmään (positiokulman nollakohdan määrittämiseksi) Täytyy aina havaita vähintää kahta, joiden polarisaatiokulmat eroavat riittästi toisistaan

27 9.5 Korkean polarisaation standardit

28 9.6 Lineaaripolarimetria Käytetään puoliaaltolevyä Yleisin polarisaatiomittaus Suurin osa polarisaation avulla tutkittavasta fysiikasta tuottaa lineaaripolarisaatiota, esim. pölyn aiheuttama polarisaatio Ongelma: polarisaatioaste on aina positiivinen (ja yleensä vain pari prosenttia kokonaisintensiteetistä) monimutkainen bias korkeampaan polarisaatioasteeseen kun P on pieni.

29 9.6 Lineaaripolarimetria Polarisaatioasteen ja -kulman määritys (esim.), mitataan intensiteetti kulmilla 0, 45, 90 ja 135: I 45 I 135 P y= I 45 I 135 I 0 I 90 P x= I 0 I 90 P= P P 2 x 2 y Py 1 Θ= arctan 2 Px Polarisaatioasteen virhe: E p = (%-yksiköissä kokonaisintensiteetistä) S/N

30 9.7 Ympyräpolarimetria Käytetään puoliaaltolevyn sijasta neljäsosaaaltolevyä muutetaan lineaaripolarisaatioksi Mitataan aaltolevyn kulmilla 0, 90, 45 ja 135 Mahdollisesta kohteesta tulevasta lineaaripolarisaatiosta voi päästä eroon pyörittämällä mittauksen aikana neljäsosaaaltolevyn eteen sijoitettua puoliaaltolevyä Ympyräpolarisaation mittauksiin ei ole saatavilla hyviä standardeja

31 9.7 Ympyräpolarimetria Ympyräpolarisaatioaste voidaan laskea havainnoista:

32 9.8 Spektropolarimetria Kuin muukin CCD polarimetria, mutta mukaan otetaan vielä rako ja esim. grismi (hilaprisma) Vaatii siis todella paljon fotoneita isot teleskoopit, kirkkaat kohteet ja/tai paljon aikaa Päästään käsiksi aallonpituudesta riippuviin polarisaatioefekteihin Täytyy ottaa aina kaksi kuvaa, joista toisessa säteet ovat vaihtaneet paikkaa, jotta päästään eroon luvun aikana tapahtuvista epälineaarisuuksista