9. Polarimetria. tähtitieteessä. 1. Polarisaatio. 2. Stokesin parametrit. 3. Polarisaattorit. 4. CCD polarimetria

Transkriptio

1 9. Polarimetria 1. Polarisaatio tähtitieteessä 2. Stokesin parametrit 3. Polarisaattorit 4. CCD polarimetria

2 9.1 Polarisaatio tähtitieteessä! Polarisaatiota mittaamalla päästään käsiksi moniin fysikaalisiin ominaisuuksiin, joihin spektreillä ja/tai fotometrialla ei päästä! Polarimetriset ilmiöt ovat usein paljon vaikeampia havaita kuin muilla menetelmillä havaittavat! Periaatteessa aina, kun valo kohtaa jotenkin orientoitunutta ainetta, se polarisoituu (esim. pöly magneettikentässä)

3 9.1 Polarisaatio tähtitieteessä! Negatiivista lineaaripolarisaatiota havaitaan mm. Aurinkokuntien ilmakehättömien kappaleiden pinnalla

4 9.1 Polarisaatio tähtitieteessä! Komeetta Hale-Bopp normaalissa valossa ja polarisaatiomittaus! Nuorta tähteä kiertävä pölykiekko

5 9.1 Polarisaatio tähtitieteessä! Valon polarisaatio Linnunradassa

6 9.1 Polarisaatio tähtitieteessä! Zeemanin ilmiö perustuu atomin magneettimomentin vuorovaikutuksesta ympäröivän magneettikentän kanssa! Tuloksena on emissioviivan hajoaminen useampaan osaan! Se, kuinka monta viivaa on näkyvissä, riippuu tarkastelusuunnasta! Viivat ovat polarisoituneita

7 9.2 Stokesin parametrit (kertausta)! Lineaaripolarisaatio! Ympyräpolarisaatio (yleisemmin elliptinen polarisaatio)

8 9.2 Stokesin parametrit (kertausta)! Polarisoituneen valon sähkövektori piirtää taivaalla ellipsiä, jonka positiokulma 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

9 9.2 Stokesin parametrit (kertausta)! Missä (a ja b ovat ellipsin akselit)!! Jos eli niin säteilyn sanotaan olevan polarisoitumatonta! Polarisaatioaste P saadaan mm. kaavasta

10 9.2 Stokesin parametrit (kertausta)! Polarisaatiokulma on:! Usein käytetään ns. normeerattuja Stokesin parametreja Q/I=P Q ja U/I=P U joista saadaan polarisaatioaste

11 9.2 Stokesin parametrit (kertausta)! 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.

12 9.3 Polarisaattorit! Polarisaattorilla tarkoitetaan optista komponenttia tai komponentteja, joilla saapuva valo muutetaan polarisoiduksi valoksi, jonka voimakkuus voidaan mitata.! Suurin osa näistä perustuu ns. kaksinaistaittaviin (birefringent) materiaaleihin (esim. kalsiitti)! Tällaisillä materiaaleilla on eri kaksi eri taitekerrointa! 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

13 9.3 Polarisaattorit

14 9.3 Polarisaattorit

15 9.3 Aaltolevyt! ns. aaltolevyillä voidaan mm. kääntää lineaaripolarisaation tasoa tai muuttaa ympyräpolarisaatiota lineaariseksi! Ne on tehty kaksoistaittavasta (birefringent) materiaalista, usein kvartsista mutta myös jotkut polymeerit käyvät!!/2 ja!/4 aaltolevyt ovat yleisimmin käytetyt

16 9.3!/2 aaltolevy! Puoliaaltolevyllä saadaan käännettyä lineaarisen polarisaation suuntaa! Siinä vaiheviive o- ja e- säteiden 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

17 9.3!/4 aaltolevy! Neljäsosa-aaltolevyllä voidaan muuttaa elliptisesti- tai ympyräpolarisoitunut säteily lineaarisesti polarisoituneeksi! Siinä vaiheviive on 90

18 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 on usein melko pieni kuvakenttä ja säteiden kulmaerotus

19 9.4 CCD polarimetria! Mittauksissa hyvä pitää mielessä intensiteetin vaihtelu mittauksen eri vaiheissa (esim. puoliaaltolevyn eri kulmilla). Varsinkin korkeasti polarisoituneilla kohteilla! Polarisaatiomittauksen redusointi tapahtuu pitkälti samaan tyyliin kuin fotometriassakin! Datapisteiden mittaus kuvasta on yleensä suhteellista fotometriaa

20 9.4 CCD polarimetria

21 9.4 Polarisaatiostandardit! Jotta polarisaatiomittaukset saadaan muunnettua vertailukelpoisiksi, on mitattava standardeja! Hyviä standardeja on melko vähän ja ne voivat olla hankalia havaita

22 9.4 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

23 9.4 Nollapolarisaation standardit

24 9.4 Korkean polarisaation standardit! Tarvitaan instrumenttipolarisaatiokulman muuttamiseksi johonkin haluttuun koordinaattijärjestelmään! Täytyy aina havaita vähintää kahta, joiden polarisaatiokulmat eroavat riittästi toisistaan

25 9.4 Korkean polarisaation standardit

26 9.4 Lineaaripolarimetria! Käytetään puoliaaltolevyä! Yleisin polarisaatiomittaus! Suurin osa polarisaation avulla tutkittavasta fysiikasta tuottaa lineaaripolarisaatiota

27 9.4 Lineaaripolarimetria! Polarisaatioasteen ja -kulman määritys (esim.):

28 9.4 Ympyräpolarimetria! Käytetään puoliaaltolevyn sijasta neljäsosaaaltolevyä! 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

29 9.4 Ympyräpolarimetria! Ympyräpolarisaatioaste voidaan laskea havainnoista:

30 9.4 Spektropolarimetria! Kuin muukin CCD polarimetria, mutta mukaan otetaan vielä rako ja grismi! Vaatii siis todella paljon fotoneita! Päästään käsiksi aallonpituudesta riippuviin polarisaatioefekteihin! Täytyy ottaa aina kaksi kuvaa, joista toisessa säteet ovat vaihtaneet paikkaa, jotta päästään eroon luvun aikana tapahtuvista epälineaarisuuksista

31 Seuraavalla luennolla! Luento Tähtitieteen Laitoksen luentosalissa! Aiheena astrometria sekä UV- ja lähiinfrapunahavainnot! Lisäksi datan redusoinnista demo! Laskuharjoitustunti ja hands-on datan redusointi harjoitus luennon jälkeen samassa paikassa