Поляризация излучения (космических источников)

Обычно рассматривают линейную и круговую поляризацию эл.-магн. волн. Линейная поляризация выделяет плоскость, в к-рой происходят колебания электрич. вектора E (вектора напряжённости электрич. поля волны). Круговая П. и. характеризует направление вращения электрич. вектора в плоскости, перпендикулярной лучу зрения. П. и. описывают с помощью т.н. параметров Стокса, к-рые, по-существу, определяют потоки излучения с заданным направлением поляризации.

Поляриметрич. наблюдения ведутся во всех диапазонах длин волн - от радиодиапазона до рентгеновского. Наблюдают: поляризацию излучения солнечной короны; поляризацию солнечного света, отражённого от атмосфер планет и комет; собств. линейную и круговую поляризацию излучения многих звёзд и туманностей (напр., сильную П. и. в радио-, оптич. и рентг. диапазонах Крабовидной туманности); межзвёздную поляризацию, к-рая возникает при прохождении света звёзд через межзвёздные газово-пылевые облака; П. и. внегалактич. объектов (галактик, скоплений галактик, квазаров и др.). Для измерения П. и. звёзд и галактик применяются визуальный, фотографич. и фотоэлектрич. методы. В широко распространённом фотоэлектрич. методе используется обычный электрофотометр, причём перед фотоумножителем ставится анализатор поляризации (поляризац. призма). Измерения фототока проводятся при разных углах поворота анализатора вокруг оси светового пучка. Разность значений фототоков для двух взаимно перпендикулярных положений анализатора и определяет степень поляризации светового пучка.

Одним из основных механизмов возникновения П. и. является рассеяние излучения на электронах, атомах, молекулах и пылинках. Для случая томсоновского рассеяния на электронах и рэлеевского рассеяния на малых по сравнению с длиной волны излучения частицах задача о распределении степени линейной поляризации по диску горячей звезды с плоскопараллельной атмосферой была впервые решена В.В. Соболевым в 1943 г., а затем неск. лет спустя независимо от него С. Чандрасекаром (США). В рассматриваемой модели макс. степень поляризации (12%) достигается на краю диска звезды, причём электрич. вектор эл.-магн. излучения колеблется перпендикулярно плоскости, содержащей нормаль к внеш. границе атмосферы и луч зрения.

Рис. 1. Межзвёздная поляризация света в нашей Галактике (по Д. Метьюсону). Длина чёрточек соответствует относительной величине линейной поляризации. Для галактич. долгот от 0o до 60o поляризация нерегулярна, что указывает на мелкомасштабность и нескоррелированность магнитных полей. В направлении 60-90o луч зрения идёт вдоль двух рукавов Галактики, а от 90 до 210o пересекает рукава три раза. В интервале 210-280o луч зрения лежит вне рукавов, а начиная с долготы 290o, пересекает первый рукав.

Излучение одиночной сферически-симметричной звезды с однородным распределением яркости по её поверхности всегда неполяризовано вследствие того, что на видимой полусфере (и даже на половине этой полусферы) всегда найдутся два таких одинаковых элемента поверхности, электрич. векторы к-рых колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях и компенсируют друг друга, т.е. суммарное излучение этих двух элементов поверхности оказывается неполяризованным. П. и. возможна, когда источник несимметричен: при отклонении формы звезды от сферически-симметричной, что приводит, в частности, к изменению её блеска при вращении и движении по орбите в двойной системе; при затмении компонентов в тесных двойных системах, когда холодная звезда затмевает горячую; при отражении света одного из компонентов поверхностью др. компонента; при рассеянии света в околозвёздной несферич. оболочке. Поляризац. наблюдения двойных звезд позволяют существенно уточнить геометрию их орбит и, в частности, определить угол наклона орбиты, её размеры, эллипсоидальность компонентов и т.д.

Рассеяние и поглощение света ориентированными несферич. пылинками хорошо объясняют наблюдаемую линейную и круговую поляризацию оптич. и ИК-излучения многих холодных (в частности, углеродных) звёзд, галактич. туманностей, а также межзвёздную поляризацию света. Излучение, идущее к наблюдателю через облако ориентированных пылинок, становится линейно поляризованным, если направление ориентации не совпадает с лучом зрения. Исследования показали, что излучение звёзд, находящихся вблизи плоскости Галактики, поляризовано в среднем параллельно этой плоскости (рис. 1). Направления поляризации коррелированы в масштабах всей Галактики. Это говорит не только об одинаковой природе пылинок, находящихся в разных областях Галактики, но и о преобладании какого-то одного механизма их ориентации. Факторами, обусловливающими ориентацию частиц межзвёздной пыли, могут быть: общее галактич. магн. поле; световые потоки, наиболее интенсивные в плоскости Галактики; космич. лучи и др. потоки частиц. По-видимому, регулярность галактич. межзвёздной линейной поляризации связана всё же со средним галактич. магн. полем, идущим вдоль спиральных рукавов.

Довольно сильной эллиптич. поляризацией обладает излучение плазменных атмосфер компактных звёзд с сильными магн. полями (белые карлики, нейтронные звёзды). Поляриметрич. исследования таких объектов позволяют определить их поверхностные магн. поля (см. Фарадея эффект).

Поляриметрич. наблюдения галактик привели к обнаружению линейной поляризации их излучения в радио- и оптич. диапазонах. П. и. наблюдается от всей галактики в целом, а в ряде случаев и от её ядра. Как правило, П. и. ядер норм. галактик отсутствует. П. и. норм. галактик связана, скорее всего, с распределённой в галактике пылью, т. е. имеет ту же природу, что и межзвёздная поляризация света в нашей Галактике. Совсем иная картина наблюдается для галактик с активными ядрами (см. Ядра галактик). Так, степень поляризации оптич. излучения сейфертовских галактик возрастает с уменьшением диафрагмы электрополяриметра, что свидетельствует о П. и. именно ядра. Значит, поляризацией обладает излучение квазаров, N-галактик и особенно лацертид. Макс. степень П. и. лапер-тид может превосходить 40%. У ряда галактик с активными ядрами наблюдается П. и. плазменных струй, выброшенных из области ядра (напр., у гигантской радиогалактики NGC 4486 - радиоисточника Дева А).

Источником П. и. перечисленных внегалактич. объектов, скорее всего, явл. синхротронное излучение релятивистских электронов в магн. поле. Степень линейной поляризации такого излучения может достигать 70% в случае однородного магн. поля, а направление колебаний вектора E в этом случае перпендикулярно плоскости "луч зрения - направление магн. поля".

Для скоплений галактик исследование линейной П. и. позволяет сделать ряд выводов о форме скоплений, их пространств, ориентации, плотности электронов в межгалактич. среде скопления и т. д.

Заметной круговой поляризации от внегалактич. объектов не обнаружено.

Рис. 2. Поляризация излучения кометы в плоскости рассеяния. Обусловлена ориентацией пылинок в голове и в хвосте кометы за счет взаимодействия их с солнечным излучением. В области, где ориентации пылинок сильно мешают соударения с молекулами газа (область плотного газа около ядра кометы), поляризация излучения имеет иной характер.

В пределах Солнечной системы поляриметрич. наблюдения позволяют получить ценную информацию о хим. составе облачного покрова планет, составе и строении комет, зодиакального света и др. объектов. Так, по П. и. было обнаружено заметное количество серной кислоты в атмосфере Венеры. П. и. комет может быть объяснена рассеянием солнечного света на ориентированных асимметричных пылинках, находящихся в голове и хвосте кометы (ориентирует пылинки, по-видимому, сам же световой поток), а также рассеянием солнечного излучения молекулами плотной газовой оболочки, окружающей ядро кометы (рис. 2). Изучение П. и. комет позволило установить силикатную природу пылинок, входящих в состав головы ряда исследованных комет.

Картина линейной поляризации зодиакального света (солнечного света, рассеянного на пылинках гелиоцентрич. пылевого облака, сплюснутого к плоскости Солнечной системы) хорошо согласуется с представлением о присутствии в межпланетной среде крупных силикатных и мелких железных пылинок. Обнаружение круговой поляризации зодиакального света и характер её зависимости от небесных координат показали, что такая П. и. может возникнуть при однократном рассеянии неполяризованного солнечного излучения на несферических, хорошо поглощающих свет, ориентированных пылинках (при этом вклад мелких частиц в круговую поляризацию излучения много больше, чем крупных силикатных).

В 70-е гг. 20 в. возникла рентгеновская поляриметрия. К её достижениям относится обнаружение сильной поляризации рентг. вспышек на Солнце, рентг. излучения Крабовидной туманности, а также расположенного внутри её пульсара PSR 0531+21 (быстровращающейся нейтронной звезды), излучения рентг. источников Лебедь Х-1 и Скорпион Х-1. Эти открытия подтверждают, в частности, мнение, что излучение Крабовидной туманности во всех наблюдаемых диапазонах имеет магнитотормозную (синхротронную) природу.

Лит.:
Шерклифф У., Поляризованный свет, пер. с англ., М., 1965; Долгинов А.3., Гнедин Ю.Н., Силантьев Н.А., Распространение и поляризация излучения в космической среде, М., 1979; Курс астрофизики и звездной астрономии, 3 изд., т. 1, М., 1973, с. 460-85.

(Ю.Н. Гнедин)