SRON - Spectropolarimetrie

De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Sunday Mar 26th, 2023

Spectropolarimetrie: Meer informatie halen uit elektromagnetische straling

Uitdaging

Elektromagnetische straling, of meer precies een foton, kun je opvatten als een golfverschijnsel. Het aantal trillingen per seconde, de frequentie, bepaalt de energie. Meer precies gedraagt de straling zich als een lopende golf met twee componenten loodrecht op de voortplantingsrichting en onderling ook weer loodrecht. De ene component is een wisselend elektrisch veld, de andere een wisselend magnetisch veld. Vandaar de naam elektromagnetische straling. Samen spannen ze het foton op en dat trilt dan in een vlak. Normaal gesproken bestaat er in de stroom van fotonen geen voorkeursrichting voor het trillingsvlak; de straling is dan ongepolariseerd. Als alle fotonen steeds in hetzelfde vlak trillen, is de straling 100% lineair gepolariseerd. Lineair wil zeggen dat het trillingsvlak een vaste oriëntatie heeft. Dit ter onderscheid van de situatie waarbij de fotonen zich via een kurketrekkerbaan voortbewegen: de circulaire polarisatie. Een combinatie van beide kan ook optreden en heet wel elliptische polarisatie. Polarisatie is het gevolg van de interactie van straling met materie en ontstaat bij weerkaatsing aan een glad oppervlak (water, glas), bij dubbele breking (prisma, kristallen), bij verstrooiing (gas, stofdeeltjes) en absorptie (gas, stofdeeltjes).

Het meten van polarisatie – polarimetrie – levert in de sterrenkunde belangrijke informatie op die niet op andere manieren is te verkrijgen. In combinatie met spectrometrie, biedt spectropolarimetrie – waarbij we dus kijken naar polarisatie-effecten afhankelijk van de golflengten, en in detail tot in spectraallijnen aan toe – inzicht in onder andere:

Exoplaneten. Spectropolarimetrie is een kansrijke manier om achter belangrijke kenmerken van exoplaneten – planeten bij andere sterren dan de zon – te komen.
Lees meer over spectropolarimetrie en exoplaneten.Het licht van de moederster is, afgezien van kleine stellaire effecten, ongepolariseerd. Maar het sterlicht dat weerkaatst aan een nabije planeet, is wel gepolariseerd, terwijl de warmtestraling van de planeet weer niet is gepolariseerd. Het elektromagnetisch spectrum van een exoplaneet vertoont dus polarisatie-effecten die golflengte-afhankelijk zijn. De sterkte van die effecten vertelt iets over de samenstelling en de structuur van de atmosfeer van de exoplaneet en de eigenschappen van een vast oppervlak als dat zichtbaar is. Het is niet eenvoudig om deze effecten te meten omdat het planeetschijnsel natuurlijk vele malen zwakker is dan het licht van de moederster, terwijl beide aan de hemel heel dicht bij elkaar staan. Overigens zijn de effecten periodiek met de omloop van de planeet om de ster, vanwege het fase-effect, vergelijkbaar met de schijngestalten van de maan. Computersimulaties laten zien dat bij een aardachtige exoplaneet veel kan worden afgeleid van de verhouding land/oceaan, de oppervlaktestructuur en de kenmerken van de atmosfeer.
Magnetische structuur van de zon en sterren. Bij het passeren van gebieden met sterke magnetische velden aan het zonsoppervlak raakt het oorspronkelijk ongepolariseerde zonlicht circulair gepolariseerd. Met de gemeten polarisatie-effecten kan de magnetische structuur aan het oppervlak worden herleid.
Lees meer over magnetische effecten.Lineaire polarisatie treedt ook en wordt naar de zichtbare zonsrand toe sterker. De sterkte van het magneetveld kan worden gemeten door te kijken naar een subtiel ‘verdubbelingseffect’ van spectraallijnen (het Zeeman-effect), in een spectropolarimeter. De effecten die bij de zon te zien zijn kunnen in principe ook bij andere sterren worden waargenomen. Er blijken bepaalde typen sterren te zijn waarbij de magnetische effecten veel sterker zijn dan bij de zon. Met spectropolarimetrie kunnen actieve gebieden op sterren in kaart worden gebracht zonder een afbeelding van de ster zelf te maken.
Interstellaire ruimte en materiestromen. Door verstrooiing aan gas en stof, en door absorptie-effecten, treden polarisatie-effecten op, te zien in het licht van gewone sterren die in of achter een interstellaire wolk staan. De metingen vertellen iets over de structuur en sterkte van de zwakke interstellaire magnetische velden, de dichtheidsverdeling van het gas en stof, turbulentie in het gas en stof, en de aard van het stof.
Lees meer over materiestromen.Evenzo kunnen astronomen nagaan op welke manier gas en stof van oude of geëxplodeerde sterren zich mengt met het oorspronkelijke interstellaire materiaal. Compacte objecten, vooral (massieve) zwarte gaten, kunnen omgeven zijn door een snel roterende band van materie: de zogeheten accretieschijf. Van daaruit lekt materie naar het object zelf. De enorme energie die daarbij vrijkomt zorgt onder andere voor nauwe bundels aan uitgestoten materie langs de beide kanten van de draaiingsas van de schijf. In en rond deze materiestromen spelen magnetische effecten een belangrijke rol en treedt – door verschillende oorzaken – polarisatie op. Spectropolarimetrie biedt de mogelijkheid om de processen in de buurt van compacte objecten beter te leren begrijpen.

Hoe maak je nu een spectropolarimeter, waarmee je de polarisatie van een hemelbron kan meten op verschillende golflengten?

Doorbraak

Een spectropolarimeter is een samenstelling van een ‘gewone’ spectrograaf en een polarimeter. Er bestaan nog maar weinig instrumenten waar de combinatie van beide meetprincipes zo goed is geslaagd dat ze bruikbare sterrenkundige gegevens opleveren. Technisch is dit een erg lastige klus. In de praktijk stuit het maken van een spectropolarimeter op problemen omdat het instrument zelf vaak golflengte-afhankelijke effecten vertoont. Het ontwerp moet die effecten zo veel mogelijk reduceren en de overblijvende effecten moeten heel goed worden uitgemeten zodat later deze kunnen worden afgetrokken van het ‘echte signaal’. Om een spectropolarimeter te maken voor gebruik in satellieten, is nog eens extra lastig vanwege de bijzondere omstandigheden tijdens de lancering (trilling) en in de ruimte (schadelijke straling).

Lees meer over hoe je polarisatie kunt meten.De ervaring met een polaroidbril geeft een eerste indruk. De glazen in de polaroidbril zijn te vergelijken met een filter dat licht dat trilt in een bepaald trillingsvlak doorlaat, en in andere richtingen minder of niet. De drager ziet contrastrijke beelden omdat hinderlijke reflecties aan wateroppervlakken goeddeels verdwijnen en de blauwe lucht (verstrooid zonlicht en dus gepolariseerd!) dieper afsteekt tegen de witte wolken. Als je beide glazen uit de bril haalt en je plaatst ze een kwart slag gedraaid over elkaar, werken de glazen samen als een volledig filter. Draai je het ene glas ten opzichte van het andere, dan komt er meer licht doorheen, tot de stand dat beide filtervlakken parallel lopen.

Lees meer over de werking van de spectropolarimeter.Het werkingsprincipe van een polarimeter lijkt op dat van de polaroidbril. Door het licht (zichtbaar, infrarood) te laten lopen door een combinatie van roterende polarisatiefilters ontstaat bij de detector een gemoduleerd signaal waarvan de sterkte en fase informatie geeft over het polarisatievlak van de straling en de polarisatiesterkte. Circulaire polarisatie kan worden gemeten door het via een filter eerst om te zetten in lineaire polarisatie en daarna de polarisatiegraad en –richting vast te stellen. Polarisatie wordt ook gemeten bij radiogolflengten, maar dan op een iets andere manier. Je kunt gekruiste dipoolantennes gebruiken of het polarisatie-effect afleiden uit de gemeten signalen bij een serie gekoppelde radiotelescopen (interferometer) zoals in het Drentse Westerbork. Ook bij röntgen- en gammastraling is het mogelijk om polarisatie-informatie te ontfutselen aan de signalen die we vanuit de ruimte opvangen. In een spectropolarimeter bevindt zich in de optische baan een zogeheten retarder, bestaande uit kristallen die twee haaks op elkaar staande optische assen hebben. Hiermee kunnen de verschillende polarisatievormen uit elkaar worden gehaald door de haaks op elkaar staande trillingscomponenten uit te splitsen in twee afzonderlijke signalen die spectrografisch kunnen worden onderzocht.

Inzet

Spectropolarimetrie is onmisbaar als het gaat om het goed beschrijven van planeetatmosferen. De straling die je op, of in de buurt van, de aarde ontvangt heeft vaak een ingewikkelde 'historie' achter de rug in de atmosfeer van de planeet. Er vinden verschillende verstrooiingen plaats. Als je alleen zou kijken naar de totale intensiteit van de straling (en de spectraallijnen daarin), mis je cruciale gegevens over de verstrooiing, en dus over zaken als de grootte van het stof of misschien wel druppeltjes waaraan het licht is verstrooid. Spectropolarimetrie wint mede aan belang door het jonge, maar het zich snel ontwikkelende onderzoeksgebied rond exoplaneten. Dat zijn planeten bij andere sterren dan de zon. Over het onderzoek aan exoplaneten is een apart venster opgenomen onder de categorie Resultaten.

Spectropolarimeters zijn en komen in gebruik bij de toonaangevende sterrenwachten op aarde, zoals bij de European Southern Observatory (ESO). Utrechtse astronomen hebben de bestaande HARPS-spectrograaf voor de 3,6 meter telescoop op La Silla geschikt gemaakt voor optische polarisatiemetingen. Een ander voorbeeld is het MATISSE-instrument voor spectropolarimetrie in het nabije infrarood. Het instrument is geschikt om gekoppeld te worden aan de samengevoegde signalen van twee tot vier VLTI-telescopen van ESO. Het project kent een forse sterrenkundige inbreng uit Leiden, Dwingeloo (ASTRON) en Amsterdam.

SRON is betrokken bij de ontwikkeling van SPEX, Spectropolarimeter for Planetary Exploration. Aan boord van een ESA-satelliet die om Mars gaat draaien moet SPEX metingen gaan doen aan de atmosfeer van de rode planeet.Lees meer over SPEX. Het instrument meet de stralingsintensiteit, de polarisatiegraad en de (lineaire) polarisatierichting over een groot golflengtebereik (350 tot 800 nanometer). Dankzij de kristaltechnologie lukt het om het instrument geheel uit te voeren zonder bewegende delen (grote betrouwbaarheid) terwijl het volume tot circa 1 liter beperkt blijft (bespaart satellietruimte). Dit innovatieve meetprincipe kan ook worden toegepast in instrumenten die andere planeetatmosferen (Jupiter) bestuderen, inclusief die van onze eigen planeet. In het specifieke geval van SPEX verwachten de onderzoekers meer te weten te komen over de eigenschappen van het fijnstof in de Marsatmosfeer, van de ijskristallen in de soms aanwezige wolken, en van de variaties in de samenstelling van de Marsbodem. Waarnemen vanuit een satelliet biedt bovendien de kans om te zien hoe al deze zaken in de loop van de tijd (Marsjaar) veranderen.