Polarimetrie

Polarimetrie, een techniek om de polarisatie van licht te meten, is een krachtig hulpmiddel waarmee astronomen informatie over hemellichamen – van voorbijkomende kometen tot verre sterrenstelsels – kunnen afleiden die met andere technieken niet kan worden verkregen.

Wat is polarisatie?

Polarisatie is een eigenschap van licht die op alle golflengten van het elektromagnetische spectrum tot uiting komt. Het is iets waar we meer vertrouwd mee zijn dan je op het eerste gezicht zou denken. Gepolariseerde zonnebrillen bijvoorbeeld verminderen de schittering van heldere oppervlakken door licht te filteren op basis van zijn oriëntatie of polarisatietoestand.

Licht van de zon en andere sterren wordt ongepolariseerd genoemd, omdat het in alle richtingen op en neer golft, oftewel oscilleert. Andere bronnen, zoals de beeldschermen van mobiele telefoons en televisies, zenden juist gepolariseerd licht uit: licht waarbij de oscillatie een voorkeursrichting vertoont. Wanneer je door een gepolariseerde zonnebril naar zo’n scherm kijkt, ziet het beeld er donker uit omdat de bril licht dat in een verkeerde richting oscilleert tegenhoudt. Polarisatie beperkt zich echter niet tot zichtbaar licht: het komt ook voor op andere golflengten, zoals die van infraroodlicht of radiogolven.

Door middel van polarisatiemetingen kunnen astronomen veel meer te weten komen over een object dan door alleen diens helderheid te meten.

Wat kunnen we leren van polarimetrie?

Polarimetrie kent een breed scala aan toepassingen in de astronomie – van het bestuderen van verre exoplaneten tot het in beeld brengen van enorme supernova-explosies. Met polarimetrie kunnen astronomen eigenschappen van objecten waarnemen en meten die met andere technieken niet altijd herkenbaar zijn. Enkele voorbeelden zijn:

• De grootte, vorm en oriëntatie van stofdeeltjes, zoals die rond kometen of in planeet-vormende schijven rond sterren
• Licht van zwakke bronnen, zoals exoplaneten of verscholen galactische kernen
• De verstrooiingseigenschappen van licht-weerkaatsende hemellichamen (zoals de atmosferen van planeten en de oppervlakken van rotsachtige objecten)
• De driedimensionale vormen van objecten, zoals supernova’s
• Magnetische velden rond sterren en andere objecten, zoals zwarte gaten

Wanneer licht in aanraking komt met elektronen of stofdeeltjes in de ruimte, wordt het verstrooit, en daarbij kan het gepolariseerd raken. Door te kijken naar gepolariseerd licht dat is verstrooid door de stofdeeltjes rond een komeet, krijgen astronomen informatie over de eigenschappen van dit stof, en daarmee ook over de levensloop van de komeet. Zo kunnen onder meer de groottes en dichtheden van de stofdeeltjes worden bepaald.

Met behulp van polarimetrie kunnen astronomen ook vaststellen hoe vaak een komeet de zon of een andere ster is gepasseerd. ‘Verse’ of ‘ongerepte’ kometen lijken licht uit te zenden dat sterker gepolariseerd is dan dat van kometen die de zon al een aantal keren zijn genaderd. Het FORS2-instrument van ESO’s Very Large Telescope (VLT) heeft het stof rond de interstellaire komeet 2I/Borisov met behulp van polarimetrie onderzocht en daarbij ontdekt dat dit een van de meest ongerepte kometen is die ooit zijn waargenomen.

De protoplanetaire schijf rond de ster AB Aurigae, in gepolariseerd licht waargenomen met het SPHERE-instrument. De kronkels dicht bij het centrum worden vermoedelijk veroorzaakt door een planeet-in-wording.

Credit: ESO/Boccaletti et al.

Het SPHERE-instrument van ESO’s VLT maakt gebruik van polarimetrie om protoplanetaire schijven te helpen opsporen – schijven van dicht gas en stof rond pasgevormde sterren waarin exoplaneten worden geboren. Sterlicht is gewoonlijk ongepolariseerd, maar als het door het stof in protoplanetaire schijven en de atmosferen van planeten heen schijnt, wordt het verstrooid en gepolariseerd. Met behulp van polarimetrie wordt het ongepolariseerde sterlicht uit een opname verwijderd, waardoor SPHERE de protoplanetaire schijven veel duidelijker in beeld kan brengen. Astronomen hadden verwacht dat deze schijven heel effen zouden zijn, bijna zoals pannenkoeken, maar polarimetrische waarnemingen bestrijden dit. Waarnemingen met SPHERE, waarvan de resultaten in 2016 zijn gepubliceerd, hebben aangetoond dat protoplanetaire schijven ingewikkelde structuren vertonen  zoals spiraalarmen, ringen, lege gordels en schaduwen. Bij een ander SPHERE-onderzoek uit 2020 zijn golven en knikken in een protoplanetaire schijf ontdekt die mogelijk worden veroorzaakt door een jonge planeet-in-wording.

Hetzelfde instrument is ook gebruikt om het verstrooide, gepolariseerde licht te onderzoeken van stof dat oudere sterren omringt, zoals Betelgeuze in het sterrenbeeld Orion. Hierdoor hebben astronomen raadsels kunnen oplossen zoals waarom een ster massa verliest en hoe een planetaire nevel ontstaat.

Polarimetrie wordt ook veel gebruikt om krachtige sterexplosies – zogeheten  supernova’s, te onderzoeken. Met polarimetrische waarnemingen kunnen astronomen de vorm van de uitdijende puinwolken rond supernova’s vaststellen – zelfs bij supernova’s die heel ver weg zijn en waarbij ze het uitgestoten materiaal zelf niet kunnen waarnemen. Als de puinwolk volmaakt bolvormig is, zal de polarisatie over heel de wolk teniet worden gedaan, maar als de puinwolk asymmetrisch is, zal het licht gedeeltelijk gepolariseerd zijn. Bij de waarneming van een speciaal soort supernova’s, type Ia genaamd, die vaak worden gebruikt om de afstanden tot verre sterrenstelsels te meten, heeft het FORS1-instrument van ESO’s VLT bijvoorbeeld laten zien dat een supernova van type Ia asymmetrisch kan zijn.

Opname in gepolariseerd licht van het superzware zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel M87, verkregen door de Event Horizon Telescope. De gebogen lijnen geven de oscillatierichting van de lichtgolven aan, die kan worden gebruikt om het magnetische veld rond het zwarte gat te reconstrueren.

Credit: EHT collaboration.

Polarimetrie stelt ons ook in staat om het magnetische veld van een object te ‘zien’. Waar magnetische velden aanwezig zijn, volgen elektronen met hoge snelheid een spiraalvormig pad en zenden daarbij zogeheten synchrotronstraling uit, die gepolariseerd is. De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), waarin ESO een partner is, werd gebruikt als onderdeel van de Event Horizon Telescope-samenwerking om het superzware zwarte gat in het hart van het sterrenstelsel M87 in gepolariseerd licht af te beelden. Hierdoor hebben astronomen de magnetische velden rond dit zwarte gat in kaart kunnen brengen en zijn ze meer te weten gekomen over de eigenschappen ervan.

Magnetische velden kunnen ook worden gemeten door polarimetrie te combineren met optische spectroscopie – een techniek die spectropolarimetrie wordt genoemd en die wordt toegepast bij het HARPS-instrument van de 3,6-m ESO-telescoop op La Silla.

Hoe meten we gepolariseerd licht?

Om polarisatie te kunnen meten, moet een telescoop zijn uitgerust met een ‘polarisator’ – een filter dat alleen licht met een bepaalde polarisatierichting doorlaat. Instrumenten zoals SPHERE meten polarisatie meestal met één verticale en één horizontale polarisator. Daarbij wordt een lichtbundel in twee kanalen gesplitst – één met de verticale polarisator en één met de horizontale polarisator – wat twee verschillende opnamen oplevert. Wanneer het ene beeld van het andere wordt afgetrokken, wordt al het ongepolariseerde licht uitgefilterd, zodat een beeld overblijft dat uitsluitend uit gepolariseerd licht bestaat. Dit is uiterst nuttig voor de jacht op exoplaneten en stofschijven rond sterren, omdat de resulterende afbeelding de schittering van het sterlicht wegneemt en alleen het verstrooide licht van de schijf laat zien.

Het bouwen van polarimetrische instrumenten brengt verschillende uitdagingen met zich mee. Ten eerste houden polarimeters in feite een deel van het licht dat de telescoop binnenkomt tegen. Daarom kunnen ze het best worden ingezet bij zeer heldere objecten – tenzij een grote telescoop, zoals ESO’s VLT, wordt gebruikt.

Ten tweede veroorzaken telescopen en hun instrumenten van zichzelf al een zekere mate van polarisatie, omdat het binnenkomende licht wordt weerkaatst door spiegels of door verschillende optische elementen gaat. Om dit tegen te gaan moeten zorgvuldige ontwerpkeuzes worden gemaakt bij de bouw van de instrumenten, en worden kalibratiegegevens verzameld om een schatting te maken van de hoeveelheid polarisatie die van de telescoop en het instrument afkomstig is en niet van het onderzochte hemelobject zelf.

Huidige ESO-instrumenten met polarimetrische opties