Polarimetri

Polarimetri er en teknik til at måle lysets polarisation, og det er et stærkt værktøj, som gør det muligt for astronomerne at indsamle informationer om himmelobjekter, lige fra passerende kometer til fjerne galakser, som ikke kan opnås med andre teknikker.

Hvad er polarisering?

Polarisering er en egenskab ved lyset, som kan iagttages hen over alle bølgelængder i det elektromagnetiske spektrum. Det er noget, som vi sandsynligvis kender mere til, end vi lige tror. For eksemple reducerer polariserende solbriller reflekserne fra blanke overflader ved at filtrere lyset efter dets orientering, eller dets polarisationstilstand.

Lys fra Solen og fra de andre stjerner siger man er upolariseret, fordi det svinger i alle retninger. Andre kilder, som for eksempel skærmen på en mobiltelefon og TV-skærme udsender polariseret lys - altså lys, som svinger i een bestemt retning. Ser man på denne type skærme igennem solbriller med et filter mod roteret polariseret lys, ser skærmen mørk ud, fordi brillerne vil blokere alt det lys, som ikke lige svinger i den retning, som filteret tillader at passere. Polarisering er ikke begrænset til kun synligt lys; det forekommer ved andre bølgelængder også, som for eksempel ved infrarødt lys eller radiobølger.

Ved at foretage polarimetriske observationer kan astronomerne lære en masse mere om et objekt, end man vil kunne blot ved at måle dets lysstyrke.

Hvad kan polarimetri fortælle os?

Polarimetri har en bred vifte af anvendelser i astronomien, fra studiet af fjerne exoplaneter til billedoptagelser af enorme supernovaer. Med polarimetri kan astronomerne observere og måle værdier for objekter, som ikke altid kan observeres med andre teknikker. Her er nogle eksempler:

• Størrelse, form og retning for støvpartikler, som for eksempel dem, der omgiver kometer eller findes i de planetdannende skiver omkring stjerner
• Lys fra fjerne lyskilder, som for eksempel exoplaneter eller ellers skjulte galaksekerner
• Spredningsforholdene for objekter, som tilbagekaster lys (det kan være planetatmosfærer og overfladen af klippeplaneter)
• Den tredimensionelle form på objekter som for eksempel supernovaer
• Magnetfelter omkring stjerner og andre objekter, som for eksempel sorte huller.

Når lys rammer elektroner eller støvpartikler i rummet, bliver det genudsendt via en proces, som kaldes spredning, og det kan polarisere lyset. Ved at studere det polariserede lys, som er spredt af støvkorn omkring en komet, kan astronomerne lære noget om støvets egenskaber, og dermed kan man lære noget om kometen tilbage i tiden. Det kan lade sig gøre at beregne diameteren for støvpartiklerne, deres sammensætning og deres kompakthed blandt andet.

Astronomerne kan også bruge polarimetri til at bestemme hvor ofte en komet har passeret forbi en stjerne. "Friske", eller "pristine" kometer ser ud til at udsende lys, som er mere polariseret, end dem, som har passeret forbi Solen eller en anden stjerne flere gange. Instrumentet FORS2 på ESOs Very Large Telescope (VLT) har studeret støvet omkring den interstellare komet 2I/Borisov ved hjælp af polarimetri, og har opdaget, at det er en af de friskeste kometer, som nogensinde er set.

Protoplanetarisk skive omkring stjernen AB Aurigae, observeret med instrumenter SPHERE i polariseret lys. De inderste snoninger tæt ved midten menes at skyldes en planet, som er under dannelse. Kilde: ESO/Bocaletti et al.

Instrumentet SPHERE på ESOs VLT bruger polarimetri til at hjælpe i eftersøgningen efter protoplanetariske skiver - altså skiver af tæt gas og støv omkring nydannede stjerner, hvori der dannes exoplaneter. Normalt er stjernelyset upolariseret, men når det skinner igennem støvet i en protoplanetarisk skive eller en planetatmosfære, spredes det, og bliver polariseret. Med polarimetri fjerner man de upolariserede stjernelys fra et billede, og så kan SPHERE se de protoplanetariske skiver meget klarere. Astronomer havde forventet, at disse skiver ville være meget glatte; næsten som pandekager, men de polarimetriske observationer har vist, at virkeligheden er anderledes. I en artikel fra 2016 baseret på SPHERE-observationer viste det sig, at protoplanetariske skiver er ganske kompliceret opbygget med spiralarme, ringe, mellemrum og skygger. I en anden artikel baseret på SPHEREmålinger fra 2020 har det vist sig, at der kan forekomme bølger og krusninger i en protoplanetarisk skive, og de kan være forårsaget af dannelsesprocesserne ved dannelsen af unge planeter.

Samme instrument er også brugt til at undersøge det spredte polariserede lys fra støv omkring ældre stjerner, som for eksempel Betelgeuse i stjernebilledet Orion. Det har hjulpet astronomerne til at løse gåderne omkring hvorfor en stjerne taber sit stof, og hvordan en planetarisk tåge bliver dannet.

Polarimetri bruges også i vid udstrækning til at studere de kraftige stjerneeksplosioner, som kaldes supernovaer. Med polarimetriske observationer kan astronomerne finde ud af formen for den sky af stof, som dannes omkring supernovaen, selv i meget fjerne supernovaer, hvor de ikke kan se selve det udkastede materiale. Hvis skyen af materiale er helt symmetrisk, vil polariseringen udlignes hen over skyens overflade, men hvis der er asymmetrier, vil lyset blive delvist polariseret. Ved observationer af den specielle type supernovaer, som kaldes Type Ia, og som bruges til at beregne afstanden til fjerne galakser, har FORS1 instrumentet på ESOs VLT for første gang observeret at en Type Ia supernova kan være asymmetrisk.

Billede i polariseret lys af det supertunge sorte hul i centrum af galaksen M87, dannet med Event Horizon Teleskopet. De buede linier viser i hvilken retning lyset svinger, og det kan bruges til at rekonstruere magnetfeltet omkring det sorte hul. Kilde: EHT collaboration.

Med polarimetri kan vi også "se" et objekts magnetfelt. Når der er magnetfelter til stede, vil elektroner med høje hastigheder bevæge sig i spiralbaner, og når de gør det, udsender de såkaldt "synchrotronstråling", som er polariseret. Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), som ESO er partner i, blev brugt som en del af Event Horizon Telescope samarbejdet til at danne billedet af det sorte hul i centrum af galaksen M87 i porlariseret lys. Det har gjort det muligt for astronomerne at kortlægge magnetfelterne omkring dette sorte hul, og dermed lære mere om dets form og fysiske forhold.

Magnetfelter kan også måles ved at kombinere polarimetri og spectroscopy

 i det optiske område. Teknikken kaldes meget fantasifuldt for spektro-polarimetri, og den anvendes blandt andet på instrumenter HARPS, som er monteret på ESOs 3,6m teleskop på La Silla.

Hvordan måler vi polariseret lys?

For at kunne måle polarisation, må et teleskop være udstyret med en "polarisator". Det er et filter, som kun tillader lys med en bestemt polarisationsretning at passere. Instrumenter som SPHERE måler typisk polarisation ved at anvende en lodret polarisator og en vandret polarisator. En lysstråle bliver splittet ind i to kanaler - en med den lodrette, og en med den vandrette polarisator, og begge de to resulterende billeder registreres. Når et billede trækkes fra det andet, fjernes alt det lys, som er upolariseret, så det resterende samlede billede kun viser det polariserede lys. Det er yderst nyttigt, når man jagter exoplaneter og protoplanetariske skiver, fordi det voldsomme skær fra selve stjernen er fjernet, så man kun ser lys fra det, som man leder efter.

Der er adskillige udfordringer i at bygge instrumenter med polariseringsmuligheder. For det første er det mest effektivt at studere meget klartlysende objekter, fordi processen fjerner det meste af det lys, som kommer til os - eller også skal man bruge et meget stort og lysstærkt teleskop, som for eksempel ESOs VLT.

For det andet så producerer teleskoperne og instrumenterne på dem selv en smule polarisering, når lyset reflekteres fra spejlene, og passerer igennem forskellige optiske elementer. Ingeniørerne skal være meget omhyggelige i deres design for at mindske dette mest muligt, og man skal optage kalibreringsdata for at vurdere hvor meget indbygget polarisering teleskop og instrument selv producerer, før man kan stole på, hvad der kommer fra selve det astronomiske objekt.

ESO instrumenter som for tiden kan bruges til polarimetri