Что такое поляризация? Где можно встретить поляризацию в астрономии? Как она появляется?
Что вообще такое поляризация и как она происходит? Поляризация - это «упорядочивание» колебаний электрического вектора к одной плоскости.
Свет - это электромагнитная волна , у неё есть электрическое поле E и магнитное поле B, которые колеблются перпендикулярно к направлению движения. При поляризованном же свете поле E колеблется преимущественно в одном направлении. - Это пример самой простой линейнойполяризации. Ниже разберем простой пример с поляризационной пластиной, которая пропускает волну только в одной плоскости, благодаря этому получается поляризованный свет.
Но стоит отметить, что свет бывает не только линейно поляризованным (колебания в одной плоскости), но и циркулярно/эллиптически поляризованным (конец вектора E описывает круг или эллипс).
Как объекты в космосе могут излучать поляризованный свет?Виды поляризации в космосе.
Рассмотрим, какие виды поляризации могут быть в космосе, как они создаются и как работают.
Виды поляризации:
1. Синхротронная
2. Рассеяние
3. Циклотронная
4. Эффект Зеемана
Ниже рассмотрим все виды отдельно, их работу и примеры.
Синхротронная
Синхротронное излучение - следствие анизотропного (интенсивность зависит от направления переноса излучения)характера ускоренного движения релятивистскойзаряженной частицы в магнитном поле. Важно подчеркнуть, что это излучение релятивистских (движущихся с околосветовой скоростью) заряженных частиц. Чтобы было проще понять, разберем несложный пример, который просто представить:
Есть облако газа , в котором есть релятивистские электроны. Облако газа пронизывает магнитное поле. Что происходит : электроны, влетающие в магнитное поле, начинают двигаться по спирали вдоль силовых линий магнитного поля. Так как любая заряженная частица, движущаяся с устроением излучает электромагнитные волны, такая частица и создает синхротронное излучение,то есть со стороны наблюдателя с любой стороны излучение будет «полосами». Заблуждение — думать, что излучение (если смотреть перпендикулярно поляризации) будет диагональю, потому что электрон крутится по спирали. На самом же деле излучение будет похоже на прямые линии, потому что спираль очень плотная, и частица движется очень быстро.
Синхротронное излучение в идеальном случае дает высокую степень линейной поляризации, до 70-75%
Где наблюдаем: Остатки сверхновых, радиогалактики и квазары, Юпитер ( мощные радиовсплески), джеты активных ядер галактик. Самый известный пример — крабовидная туманность(остаток сверхновой). Её излучение в радиодиапазоне сильно поляризовано.
Рассеяние
Оно происходит на частицах, размер которых много меньшедлины световой волны (например, молекулы воздуха, мелкие пылинки) . Свет, рассеиваясь на мелких частицах, становится поляризованным, потому что частицы по-разному "отражают" составляющие световой волны, ориентированные в разных направлениях. Получается, что если частицы (рассеивающие центры) много меньше длины волны света, то при рассевании происходит поляризация . Разберем, как это работает на примере. Луч света направлен перпендикулярно взгляду наблюдателя .
Оно происходит на частицах, размер которых много меньшедлины световой волны (например, молекулы воздуха, мелкие пылинки) . Свет, рассеиваясь на мелких частицах, становится поляризованным, потому что частицы по-разному "отражают" составляющие световой волны, ориентированные в разных направлениях. Получается, что если частицы (рассеивающие центры) много меньше длины волны света, то при рассевании происходит поляризация . Разберем, как это работает на примере. Луч света направлен перпендикулярно взгляду наблюдателя . Молекулы воздуха в точке, на которую смотрит наблюдатель, "облучаются" солнечным светом, идущим сверху. Электрическое поле в этом свете колеблется во всех горизонтальных и вертикальных плоскостях. Эти молекулы начинают колебаться и переизлучать свет. Но из-за диаграммы направленности:
Колебания электронов вдоль направления светового луча (вертикальные) будут излучать рассеянный свет вбок (в том числе и к наблюдателю) с максимальной интенсивностью. Колебания электронов перпендикулярно солнечному лучу не излучают в сторону наблюдателя вообще, так как наблюдатель находится а оси их колебаний (где излучение равно нулю).Итог для наблюдателя: В рассеянном свете, пришедшем к вам сбоку, остались только колебания в одной плоскости (это и является поляризацией) — в той, которая параллельна исходному направлению луча. В нашем примере это вертикальная плоскость.
Где наблюдаем: небо, отражения от диэлектриков, кольца планет — гигантов, отражение от межзвёздной пыли. Также ярким примером служат кометные хвосты (поляризация в них получается за счет рассеяния солнечного света космической пылью) и протопланетный диски: их поляризационные изображения позволяют видеть рассеянный свет от диска, отделив его от света звезды.
Циклотронная поляризация
Циклотронная поляризация- это излучение отдельной заряженной частицы (чаще всего электрона), движущейся по спирали вдоль силовых линий постоянного и однородного магнитного поля. - Казалось бы, очень похоже на синхротронное излучение. В чем же разница синхротронного и циклотронного?
Частица в циклотронном излучении нерелятивистская или умеренно релятивистская. Также важно уточнить, что в синхротронном излучении частица движется анизотропно, а движение частицы в циклотронном однородно.
Как происходит циклотронная поляризация?
Заряженная нерелятивистскаячастица (электрон) в постоянном магнитном поле движется по спирали (или окружности) с циклотронной частотой.(Циклотронная частота— это основная частота обращения заряженной частицы (например,электрона или протона) в однородном магнитном поле. Это фундаментальная величина в астрофизике.)
Ускоряясь при этом движении по окружности, она излучает электромагнитные волны. Как мы наблюдаем поляризацию: Излучение наблюдается в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Вектор электрического поля в волне вращается с той же частотой, что и частица. Это приводит к циркулярной (круговой) поляризации.
Где мы наблюдаем такую поляризацию: Полярные сияния (километровый диапазон), некоторые типы солнечных и звездных вспышек (радиодиапазон), магнитосферы планет.
Эффект Зеемана
Стоит понимать, что эффект Зеемана — это не отдельный тип поляризации, а фундаментальное физическое явление, которое создает характерную поляризацию частиц в спектральных линиях. Под действием внешнего магнитного поля энергетические уровни атома расщепляются на несколько подуровней (зеемановское рассеяние). В результате одна спектральная линия расщепляется на несколько компонент (обычно 2 или 3). Компонента в контексте эффекта Зеемана — это одна из новых спектральных линий, на которые расщепляется исходная линия под действием магнитного поля.
Эффект Зеемана разделяют на два вида: поперечный и продольный. Разница их только в направлении наблюдения относительно магнитного поля.
Поперечный эффект Зеемана
Мы видим три разделённые линии:
- Две внешние компоненты сдвинуты симметрично от центра. Они линейно поляризованы перпендикулярно магнитному полю (вектор E колеблется перпендикулярно B).Центральная компонента не сдвинута по частоте. Она линейно поляризована параллельно магнитному полю (вектор E колеблется параллельно B).
Продольный эффект Зеемана
Мы видим только две линии , а центральная исчезает, так как поляризована параллельно. При этом эти две компоненты имеют круговую поляризацию(правая и левая)
Практическое применение эффекта Зеемана: это главный метод прямого измерения напряженности магнитных полей на Солнце
В эффекте Зеемана есть некоторые сложности: стоит подчеркнуть, что на практике в астрономии этот эффект очень мал, и для определения эффекта Зеемана нужны мощные спектрографы.
Почему это важно?
Поляризация — один из самых мощных инструментов в астрономии на данный момент. Поляризация позволяет картировать магнитные поля в объектах, помогает понять физические условия (плотность, температуру, состав) в объектах, где напрямую сделать это нельзя, также дает отделять переизлученный или рассеянный свет от прямого, что также очень важно.