Polarimetri

Polarimetri är en teknik för att mäta ljusets polarisation. Det är ett kraftfullt verktyg som gör det möjligt för astronomer att få kunskap om egenskaper hos himmelska objekt, från passerande kometer till avlägsna galaxer, som inte kan erhållas med andra tekniker.

Vad är polarisation?

Polarisation är en egenskap hos ljus som ses över alla våglängder i det elektromagnetiska spektrumet. Det är något som vi förmodligen är mer bekanta med än vi tror. Polariserade solglasögon, till exempel, minskar bländande ljus från reflekterande ytor genom att filtrera ljuset baserat på dess orientering eller polarisationstillstånd.

Ljus från solen och andra stjärnor sägs vara opolariserat eftersom det svänger i alla riktningar. Vissa källor, som skärmar på mobiltelefoner och tv-apparater, avger polariserat ljus - ljus som har en huvudsaklig svängningsriktning. Att titta på dessa skärmar genom rotera ett par polariserade solglasögon kommer att resultera i att skärmen i en viss vinkel ser mörk ut, eftersom glasögonen då blockerar allt ljus som svänger i en annan riktning. Polarisationen är dock inte begränsad till synligt ljus; den finns också vid andra våglängder som infrarött ljus och radiovågor.

Med polarimetriska mätningar kan astronomer lära sig mycket mer om ett objekt än vad som är möjligt genom att bara mäta dess ljusstyrka.

Vad kan vi lära oss med polarimetri?

Polarimetri har ett brett spektrum av tillämpningar inom astronomi, från att studera avlägsna exoplaneter till att avbilda enorma supernovor. Polarimetri tillåter astronomer att observera och mäta egenskaper hos objekt som inte alltid är identifierbara när de använder andra tekniker. Några exempel är

• storleken, formen och orienteringen av dammpartiklar, till exempel sådana som omger kometer eller finns i planetbildande skivor runt stjärnor

• ljus från svaga källor, som exoplaneter eller dolda galaktiska kärnor

• spridningsegenskaperna hos ljusreflekterande kroppar (som planetatmosfärer och ytorna på steniga kroppar)

• de tredimensionella formerna hos objekt, till exempel supernovor

• magnetiska fält runt stjärnor och andra objekt som svarta hål.

När ljus träffar elektroner eller dammpartiklar i rymde  återutsänds det genom en process som kallas spridning, vilket kan polarisera ljuset. Att titta på det polariserade ljuset som sprids från stoftkornen som omger en komet ger information om egenskaperna hos detta stoft, och därmed kunskap om kometens utveckling. Med tekniken kan man räkna ut dammpartiklarnas storlekar, sammansättning och densitet, bland andra egenskaper.

Astronomer kan också använda polarimetri för att avgöra hur ofta en komet har passerat en stjärna. "Färska" eller "ursprungliga" kometer verkar reflektera och sprida ljus som är mer polariserat än för kometer som har passerat förbi solen eller en annan stjärna flera gånger. FORS2-instrumentet på ESO:s Very Large Telescope (VLT) studerade stoftet kring den interstellära kometen 2I/Boriso, med hjälp av polarimetri och upptäckte att det var en av de mest ursprungliga kometer som någonsin studerats.

Protoplanetskivan runt stjärnan AB Aurigae observerad med SPHERE-instrumentet i polariserat ljus. De inre vindlingarna i stoftet nära centrum tros vara orsakade av planetbildning.

Credit: ESO/Boccaletti et al.

SPHERE-instrumentet på ESO:s VLT utnyttjar polarimetri för att söka efter protoplanetära skivor — skivor av tät gas och stoft runt nybildade stjärnor där exoplaneter bildas. Stjärnljus är vanligtvis opolariserat, men eftersom det sprids i stoftet i den protoplanetära skivan och i exoplaneternas atmosfärer blir det polariserat. Med polarimetri tar man bort det opolariserade stjärnljuset från en bild, vilket gör att SPHERE kan se protoplanetära skivor mycket tydligare. Astronomer förväntade sig att dessa skivor skulle vara mycket homogena, nästan som pannkakor, men polarimetriska observationer har visat något annat. En SPHERE-studie publicerad 2016 visade att protoplanetära skivor har komplexa morfologier med spiralarmar, ringar, gap och skuggor. I ytterligare en SPHERE-artikel från 2020 identiferades vågor och vridningar i en protoplanetarisk skiva som kan ha orsakats av att en ny planet bildas.

Samma instrument har också använts för att undersöka det spridda, polariserade ljuset från stoft som omger äldre stjärnor som Betelgeuse i stjärnbilden Orion. Detta har gjort det möjligt för astronomer att lösa mysterier som varför en stjärna förlorar massa och hur en planetarisk nebulosa bildas.

Polarimetri används också i stor utsträckning för att studera kraftfulla stjärnexplosioner som kallas supernovor. Polarimetriska observationer tillåter astronomerna att räkna ut formen på det expanderande materialet runt supernovan, även i mycket avlägsna supernovor där de faktiskt inte kan se själva materialet. Om explosionen är perfekt sfärisk kommer hela molnet vara opolariserat, men om det är asymmetriskt blir ljuset delvis polariserat. Vid en observation av en speciell sorts supernova som kallas Typ Ia, som vanligtvis används för att mäta avståndet till avlägsna galaxer, upptäckte astronomerna med FORS1-instrumentet på ESO:s VLT för första gången att en Typ Ia-supernova kan vara asymmetrisk.

Bild i polariserat ljus av det supermassiva svarta hålet i mitten av galaxen M87 erhållen med Event Horizon-teleskopet. De böjda linjerna indikerar polarisatonsriktningen för ljuset och kan användas för att rekonstruera magnetfältet runt det svarta hålet.

Credit: EHT collaboration.

Polarimetri låter oss också "se" ett objekts magnetfält. I närvaro av magnetiska fält rör sig elektroner i hög hastighet i spiralbanor och avger därmed så kallad "synkrotronstrålning", som är polariserad. Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), där ESO är en partner, användes som en del av Event Horizon Telescope-samarbetet för att avbilda det supermassiva svarta hålet i hjärtat av galaxen M87 i polariserat ljus. Detta har gjort det möjligt för astronomerna att kartlägga magnetfältet runt detta svarta hål och lära sig mer om dess morfologi och fysik.

Magnetiska fält kan också mätas genom att kombinera polarimetri med spektroskopi i det optiska området, en teknik som kallas spektropolarimetri och som kan studeras med HARPS-instrumentet på ESO:s 3,6m-teleskop på La Silla.

Hur mäter vi polariserat ljus?

För att mäta polarisationen måste ett teleskop vara utrustat med en "polarisator" - ett filter som endast släpper igenom ljus med en viss polarisationsriktning. Instrument som SPHERE mäter vanligtvis polarisation genom att använda en vertikal och en horisontell polarisator. En ljusstråle delas upp i två kanaler — en med vertikal polarisation och en med horisontell polarisation — och båda resulterande bilderna sparas. När den ena bilden subtraheras från den andra, elimineras allt ljus som är opolariserat och lämnar efter sig en bild som endast består av polariserat ljus. Detta är extremt användbart när man söker efter exoplaneter och planetbildande skivor eftersom den resulterande bilden tar starkt opolariserat  stjärnljus och lämnar kvar det svagare spridda ljuset från skivan.

Att bygga instrument med polarimetrisk kapacitet innebär flera utmaningar. Eftersom polarimetrar effektivt blockerar en del av ljuset som når jorden används det mest effektivt för att studera mycket ljusa objekt – om inte ett stort teleskop, som ESO:s VLT, används.

Teleskop och instrument genererar själva en viss polarisation när ljuset studsar mellan speglar eller passerar olika optiska element. Ingenjörer måste därför göra noggranna designval för att minimera instrumentpolarisationen och ta kalibreringsdata för att uppskatta mängden polarisering från teleskopet och instrumentet, som alltså inte kommer från det astronomiska objektet.

ESO-instrument med polarimetriska observationsmöjligheter