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Mar 25, 2023

Astrobites Guia de Polarimetria

por Briley Lewis | 23 de outubro de 2022 | Guias | 0 comentários Por Briley Lewis Um breve

por Briley Lewis | 23 de outubro de 2022 | Guias | 0 comentários

Por Briley Lewis

Uma breve introdução à luz polarizada

A luz é uma onda eletromagnética – e seu campo elétrico nem sempre é orientado na mesma direção. A orientação do campo elétrico da luz define seu "estado de polarização". Neste guia, falaremos sobre o que é a polarização, como ela é produzida pelo cosmos e como podemos observá-la.

Classificamos a polarização de três maneiras principais: luz não polarizada, luz polarizada linearmente e luz polarizada elipticamente. A luz não polarizada (também conhecida como luz natural) é melhor descrita como luz polarizada aleatoriamente; ou seja, muitas fontes de luz são uma coleção de emissores onde a polarização da luz emitida muda com muita frequência e aleatoriamente. Este é um extremo, e muitas vezes a luz é parcialmente polarizada de alguma forma. A luz linearmente polarizada tem uma orientação constante do campo elétrico (embora a magnitude da onda ainda possa variar). A luz elipticamente polarizada tem um campo elétrico cujo vetor gira, traçando uma elipse. A luz polarizada circularmente é um caso disso, onde ambas as direções x e y têm a mesma magnitude. Alguns desses casos são ilustrados na figura abaixo.

Podemos descrever a polarização matematicamente usando matrizes. Os vetores Stokes (também conhecidos como parâmetros Stokes) são uma maneira útil de fazer isso. Existem quatro parâmetros: I, Q, U e V. I é a intensidade total, Q descreve a polarização linear (horizontal ou vertical, dependendo do sinal) e U descreve a polarização em um segundo conjunto de eixos ortogonais (+/- 45 graus), e V descreve a polarização elíptica (destro se >0, canhoto <0). Eles estão definidos da seguinte forma:

Para luz completamente polarizada, I2 = Q2 + U2 + V2. Para um sistema parcialmente polarizado, o grau de polarização é dado por P = (Q2 + U2 + V2)½ / I. Consulte a Tabela 8.5 de Hecht para obter um exemplo ilustrativo de vetores Stokes para vários estados de polarização. Da mesma forma, as operações de diferentes polarizadores em vetores de Stokes podem ser descritas por matrizes de Mueller.

O que no universo cria luz polarizada?

A polarização pode ser afetada por dicroísmo, reflexão, espalhamento ou birrefringência (mais sobre dicroísmo e birrefringência na próxima seção!), bem como outros efeitos eletromagnéticos. Alguns processos de radiação, como a radiação síncrotron, também produzem naturalmente luz polarizada.

A luz pode ser polarizada por espalhamento devido a interações com elétrons. Para luz incidente não polarizada, a luz espalhada ao longo do eixo incidente será inalterada, e a luz espalhada em ângulos ortogonais (90 graus) será linearmente polarizada. A dispersão pode ser mais complicada dependendo do tamanho da partícula em relação ao comprimento de onda da luz: a dispersão de Rayleigh descreve o que acontece quando as partículas são muito menores que o comprimento de onda, e a dispersão de Mie descreve a dispersão de forma mais geral.

A luz também pode ser polarizada pela reflexão de um meio dielétrico, onde apenas um componente da polarização de entrada será refletido e o outro será refratado. A lei de Brewster descreve o ângulo em que o raio refletido será totalmente polarizado e os desvios desse ângulo serão parcialmente polarizados.

Alguns exemplos de situações que criam luz polarizada na astronomia são:

Como medimos a polarização?

Para descobrir quanto da luz que entra é polarizada, precisamos usar algum tipo de polarizador – um filtro que separa a luz em seus componentes, ou apenas permite que uma certa polarização da luz passe. Como diz Hecht em seu livro de Óptica, para que os polarizadores funcionem "deve haver algum tipo de assimetria associada ao processo".

Alguns polarizadores usam dicroísmo, onde apenas um estado de polarização é seletivamente absorvido e o outro estado de polarização ortogonal passa bem. Alguns cristais são naturalmente dicróicos, assim como os filtros Polaroid. Outro efeito comumente aproveitado é a birrefringência, o que significa que uma substância tem diferentes índices de refração devido ao arranjo dos átomos dentro dela. Certos cristais birrefringentes podem dividir a luz em estados de polarização ortogonal. Um exemplo útil em astronomia é o prisma de Wollaston, que serve como divisor de feixe de polarização em muitos instrumentos.