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Mar 25, 2023

Guida degli astrobiti alla polarimetria

by Briley Lewis | Oct 23, 2022 | Guides | 0 comments By Briley Lewis A brief

di Briley Lewis | 23 ott 2022 | Guide | 0 commenti

Di Briley Lewis

Una breve introduzione alla luce polarizzata

La luce è un'onda elettromagnetica e il suo campo elettrico non è sempre orientato nella stessa direzione. L'orientamento del campo elettrico della luce definisce il suo "stato di polarizzazione". In questa guida parleremo di cos'è la polarizzazione, di come viene prodotta dal cosmo e di come possiamo osservarla.

Classifichiamo la polarizzazione in tre modi principali: luce non polarizzata, luce polarizzata linearmente e luce polarizzata ellitticamente. La luce non polarizzata (nota anche come luce naturale) è meglio descritta come luce polarizzata in modo casuale; cioè, molte sorgenti luminose sono un insieme di emettitori in cui la polarizzazione della luce emessa cambia molto frequentemente e in modo casuale. Questo è un estremo e spesso la luce è parzialmente polarizzata in qualche modo. La luce polarizzata linearmente ha un orientamento costante del campo elettrico (sebbene l'ampiezza dell'onda possa variare ancora). La luce polarizzata ellitticamente ha un campo elettrico il cui vettore ruota, tracciando un'ellisse. La luce polarizzata circolarmente è un caso di questo, dove entrambe le direzioni x e y hanno la stessa grandezza. Alcuni di questi casi sono illustrati nella figura seguente.

Possiamo descrivere matematicamente la polarizzazione usando le matrici. I vettori Stokes (noti anche come parametri Stokes) sono un modo utile per farlo. Ci sono quattro parametri: I, Q, U e V. I è l'intensità totale, Q descrive la polarizzazione lineare (orizzontale o verticale, a seconda del segno) e U descrive la polarizzazione in corrispondenza di una seconda serie di assi ortogonali (+/- 45 gradi) e V descrive la polarizzazione ellittica (destrimano se >0, mancino <0). Sono definiti come segue:

Per la luce completamente polarizzata, I2 = Q2 + U2 + V2. Per un sistema parzialmente polarizzato, il grado di polarizzazione è dato da P = (Q2 + U2 + V2)½ / I. Vedere la Tabella 8.5 di Hecht per un esempio illustrativo dei vettori di Stokes per vari stati di polarizzazione. Allo stesso modo, le operazioni di diversi polarizzatori sui vettori di Stokes possono essere descritte dalle matrici di Mueller.

Cosa nell'universo crea la luce polarizzata?

La polarizzazione può essere influenzata da dicroismo, riflessione, diffusione o birifrangenza (maggiori informazioni su dicroismo e birifrangenza nella sezione successiva!), nonché da altri effetti elettromagnetici. Alcuni processi di radiazione, come la radiazione di sincrotrone, producono naturalmente anche luce polarizzata.

La luce può essere polarizzata mediante diffusione a causa delle interazioni con gli elettroni. Per la luce incidente non polarizzata, la luce diffusa lungo l'asse incidente sarà inalterata e la luce diffusa ad angoli ortogonali (90 gradi) sarà polarizzata linearmente. Lo scattering può essere più complicato a seconda della dimensione della particella rispetto alla lunghezza d'onda della luce: lo scattering Rayleigh descrive cosa succede quando le particelle sono molto più piccole della lunghezza d'onda, mentre lo scattering Mie descrive lo scattering più in generale.

La luce può anche essere polarizzata mediante riflessione su un mezzo dielettrico, dove solo una componente della polarizzazione in entrata verrà riflessa e l'altra verrà rifratta. La legge di Brewster descrive l'angolo in cui il raggio riflesso sarà completamente polarizzato e le deviazioni da quell'angolo saranno parzialmente polarizzate.

Alcuni esempi di situazioni che creano luce polarizzata in astronomia sono:

Come misuriamo la polarizzazione?

Per capire quanta luce in entrata è polarizzata, dobbiamo utilizzare una sorta di polarizzatore, un filtro che separa la luce nei suoi componenti o lascia passare solo una certa polarizzazione della luce. Come dice Hecht nel suo libro di testo di Ottica, affinché i polarizzatori funzionino "deve esserci una sorta di asimmetria associata al processo".

Alcuni polarizzatori utilizzano il dicroismo, in cui solo uno stato di polarizzazione viene assorbito selettivamente e l'altro stato di polarizzazione ortogonale passa perfettamente. Alcuni cristalli sono naturalmente dicroici, così come i filtri Polaroid. Un altro effetto comunemente sfruttato è la birifrangenza, il che significa che una sostanza ha diversi indici di rifrazione a causa della disposizione degli atomi al suo interno. Alcuni cristalli birifrangenti possono dividere la luce in stati di polarizzazione ortogonali. Un esempio utile in astronomia è il prisma di Wollaston, che funge da divisore di fascio polarizzante in molti strumenti.