книги из ГПНТБ / Жевандров, Н. Д. Анизотропия и оптика

Поляризован свет солнечной короны — самой внешней оболочки Солнца, которая тянется на расстояние в не­ сколько диаметров Солнца. Свечение солнечной короны постепепио переходит в зодиакальный свет. Видеть ко­ рону можно только во время полных солнечных затмений. Однако с помощью специальных приборов — короногра­ фов можно изучать ее и без затмений. Свечение с непре­ рывным спектром, составляющее 90% всего излучения солнечной короны, представляет собой свет фотосферы, рас­ сеянный быстрыми свободными электронами коропы. Это свечение частично поляризовано, причем у края солыечиого диска степень поляризации около 15%, при удалении от края она быстро увеличивается (примерно до 40%), а за­ тем, по мере дальнейшего удаления, медленно спадает, по­ степенно переходя к значениям, характерным для зодиа­ кального света. Структура короны, прихотливо изме­ няющаяся со временем, сильно влияет иа поляри­ зацию, так как поляризация зависит от пространственной ориентации короиальиых образований по отношению к лучу зрения наблюдателя. Поэтому приведенные выше данные лишь ориентировочны.

Зодиакальный свет — солнечный свет, рассеянный твердыми пылевыми частицами околосолнечной среды,— наблюдается ночью вдоль пояса Зодиака (отсюда и назва­ ние) в виде полосы, расширяющейся к горизонту. По ви­ димой яркости раза в два-три превосходит яркость ночно­ го неба. Зодиакальный свет частично поляризован, причем степень поляризации зависит от углового расстояния от Солнца. На расстоянии 80° от Солнца степень поляриза­ ции составляет 12%, доходит до 15% при 60° и падает почти до нуля при 90°.

Что касается объектов, находящихся за пределами солнечной системы, то поляризация света туманностей исследуется с самого начала нашего века, а поляризацию света звезд начали исследовать совсем недавно — с кон­ ца 40-х годов.

При изучении поляризации туманностей и звезд есть две стороны вопроса: собственная поляризация света, излучаемого звездой или туманностью, и та поляризация, которую приобретает свет, проходя огромные расстояния через космическое пространство и взаимодействуя с раз­ реженной межзвездной средой (так называемая межзвезд­ ная поляризация света по терминологии, принятой в

130

астрономической литературе). Первая может дать важ­ нейшую информацию о механизме испускания света объек­ том, а вторая — о свойствах межзвездного вещества, структуре магнитных полей Галактики и т. и. Трудность заключается в разделении этих двух сторон эффекта. Для преодоления этой трудности очень важно, что при рассеянии на изотропных пылинках межзвездной среды свет поляризуется по известным правилам. Такую поля­ ризацию звезд и туманностей в астрофизике называют «радиальной». Она действительно обнаружена во многих случаях. Однако это обстоятельство не снимает всех труд­ ностей. «Нерадиальная» поляризация может возникнуть не только в результате собственного механизма излучения света туманностью или звездой, но и вследствие рассея­ ния иа анизотропных, а тем более на ориентированных частицах галактической среды.

Таким образом, исследование поляризации света ту­ манностей и звезд — непростая задача.

Свет внегалактических туманностей сам по себе не по­ ляризован. Этот вывод сделан из анализа данных наблюде­ ний и согласуется с ожидаемым, ибо этот свет есть сум­ марное излучение огромного количества различных звезд, представляющий типичный случай источника естественно­ го света. Поэтому туманности очень интересны как эталон, позволяющий судить о поляризующем действии диффуз­ ной материи в нашей Галактике.

Галактические туманности представляют собой облака разреженного газа с пылевыми частицами, существующие в межзвездном пространстве нашей Галактики. Классифи­ кация галактических туманностей делит их на несколько типов — планетарные, диффузные, отражательные и др.

Излучение планетарных туманностей в большинстве случаев не поляризовано. Только об одной из туманностей имеются данные о небольшой поляризации излучения (по­ рядка 5%), еще нуждающиеся в подтверждении. Диффуз­ ные туманности дают поляризацию целиком «радиальную», что согласуется с их газово-пылевой моделью. Степень поляризации при этом составляет от 1—2 до 10—15%.

Особый интерес представляют некоторые отдельные ту­ манности, прежде всего Крабовпдиая. Поляризация свече­ ния ее аморфной части оказалась «иераднальиой». Отсюда следует, что она может быть обусловлена не рассеянием, а каким-то особым типом излучения света. Ряд фактов

5* 131

заставил принять гипотезу о синхротронном механизме излучения (тормозное излучение релятивистских элект­ ронов в магнитном поле). Важным методическим приемом в этих исследованиях было сопоставление поляризации туманности и соседних звезд, которое могло учесть «меж­ звездную поляризацию» и выделить собственную поляри­ зацию туманности. ■ -

Пространственное распределение поляризации позво­ лило построить ход силовых линий магнитного поля ту­

линии примерно перпендикулярны плоскости Галактики. На краях силовые линии огибают облака черной материи, определяющие границы туманности. Эти выводы подтверж­ даются независимыми исследованиями структуры туман­ ностей. Синхротронный механизм излучения Крабовидной туманности подтверждается также данными по поляриза­ ции ее радиоизлучения.

Очень похожие результаты получены для Омега-ту­ манности. В ее поляризованном излучении направление преимущественных колебаний примерно постоянно для всех участков туманности (что исключает объяснение на основе рассеяния). Направление преимущественных колебаний составляет около 30° с плоскостью галактиче­ ского экватора. При этом поляризовано лишь излучение со сплошным спектром. Считают, что механизм излучения Омега-туманности также синхротронный. Подобные ре­ зультаты получены и еще для нескольких туманностей.

Таким образом, поляриметрические исследования дают материал, весьма важный для понимания природы туманностей.

Сравнение спектральной зависимости поляризации одной из отражательных туманностей с уже упоминавшим­ ся спектральным ходом поляризации планет было ис­ пользовано для сравнительной оценки частиц межзвездной и межпланетной материи. Поляризация туманности в отличие от поляризации планет несколько возрастает с увеличением длины волны. Произведенная оценка раз­ меров частиц показала, что в межзвездном пространстве они крупнее.

Хотя поляриметрическое исследование звезд начато недавно, уже получен большой материал. Анализ резуль­

132

татов основан на наблюдении поляризации несколькпх тысяч звезд. Для подавляющего большинства звезд уста­ новлены следующие основные закономерности. Поляризо­ ван свет только достаточно удаленных звезд. Степень поля­ ризации обычно не более 8—10%. Поляризация мало меняется при изменении длины волны в видимой области спектра и быстро уменьшается в инфракрасной. В прост­ ранственном распределении преимущественных направ­ лений поляризации звезд есть тенденция, проявляющаяся только при анализе большого числа звезд,— преимущест­ венное направление электрических векторов близко к плоскости Галактики. Более подробный анализ зависимо­ сти этого эффекта от галактической долготы показал, что векторы поляризации параллельпы не галактической плоскости, а большому кругу, наклоненному к ней под углом 17—18° (большому кругу поляризации).

Из всех этих данных следует вывод, что, как правило, свет звезд — естественный, а поляризация в него вносит­ ся межзвездной средой. Только в отдельных случаях поля­ ризация может быть связана с самими звездами (например, свет у горячих сверхгигантов, выходящий из атмосферы звезды, может быть заметно поляризован из-за рассеяния на свободных электронах).

Изучение поляризации большинства звезд дает важную информацию о межзвездной среде. «Нерадиальпую» меж­ звездную поляризацию света можно объяснить, предполо­ жив, что рассеяние света звезд в пространстве Галакіики происходит на пылинках удлиненной формы, ориентиро­ ванных в межзвездном магнитном поле. Существование

вмежзвездном пространстве магнитных полей подтверж­ дается независимыми исследованиями космических лучей. Пылинки имеют размеры порядка длины волны видимого света. При поляризации около 10% все или почти все пы­ линки должны быть ориентированы. Чтобы частицы ориентировались во внешнем магнитном поле, они должны иметь собственный магнитный момент. Наиболее вероят­ ной считается гипотеза, по которой в межзвездной пыли

внебольшом количестве содержатся ферромагнитные ве­ щества, придающие пылинкам не ферромагнитные, а парамагнитные свойства.

Спомощью межзвездной поляризации можно объяс­ нить и «иерадиальную» поляризацию света в некоторых отражательных волокнистых туманностях. Межзвездная

133

поляризация обнаружена и во внегалактических туманно­ стях.

Крупнейшие сенсации последних лет в астрофизике — открытие пульсаров и квазаров.

Пульсары — открытый впервые в 1968 г. новый вид космических источников — отличаются периодичностью излучаемых сигналов (поэтому вначале они были приняты за сигналы внеземных цивилизаций). В настоящее время наиболее убедительной гипотезой о природе пульсаров является модель вращающихся нейтронных звезд с излу­ чающей областью («пятном»). Вследствие вращения сиг­ нал для наблюдателя периодичен — с периодом вращения звезды. Огромный интерес к пульсарам вызван прежде всего тем, что они представляют собой нейтронные звезды, существование которых было теоретически предсказано еще в 30-х годах, вскоре после открытия нейтрона. Ней­ тронная звезда — это как бы одно огромное атомное ядро. Плотность его вещества колоссальна.

Большинство пульсаров излучает сигналы в радиодиа­ пазоне. У многих из них обнаружена линейная поляриза­ ция, у некоторых — почти полностью лпнейиая (более 95%). Отдельные компоненты импульсов имеют круговую поляризацию. Однако и величина, и азимут поляризации меняются как от импульса к импульсу, так и внут­ ри импульсов, что затрудняет их изучение и интерпрета­ цию. Тем не менее наличие линейной поляризации радиоизлучения пульсаров используется физиками для измерения межзвездного магнитного поля по фарадеевскому вращению. Так, с помощью одного пульсара, который излучает сильные импульсы с практически полной линей­ ной поляризацией и стабильным на протяжении достаточ­ ного отрезка времени азимутом и расположен примерно под углом 45° к направлению на локальный спиральный рукав Галактики, получено значение магнитного поля Z?<2- ІО-7 гс, что значительно меньше, чем существую­ щие оценки для общего магнитного поля Галактики. Прав­ да, не следует забывать, что это измерение относится лишь к одному выбранному направлению в ближней области Галактики.

В Крабовидной туманности открыт замечательный пульсар, излучающий не только в радиодиапазоие, ио и в оптическом и в рентгеновском диапазонах. Эта звезда —

наиболее вероятный кандидат на роль остатка Сверхновой,

134

Глава VI

АНИЗОТРОПИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ СВЕТА

Термин «микроструктура света» был введен в оптику С. II. Вавиловым. Микрооптика относится к макрооптике, оперирующей с макроскопическими световыми потоками, которые всегда можно однозначно охарактеризовать опре­ деленной энергией излучения, спектром и состоянием поляризации, примерно так же, как молекулярная тео­ рия — к термодинамическому учению о веществе.

Одна из областей оптики, в которой наиболее эффек­ тивно проявляется микроструктура света и ее анизотро­ пия,— это явления интерференции, и в особенности те из них, которые связаны с поляризацией интерферирующих лучей.

Роль поляризации когерентных лучей

Обычно если несколько разных световых пучков пере­ крываются, то создаваемые ими освещенности аддитивно складываются. Если в комнате зажечь несколько ламп вместо одной, то освещение страницы книги, которую вы читаете, станет в несколько раз лучше. Но, с другой сто­ роны, хорошо известно, что световые волны, как и вся­ кле волны, могут интерферировать, т. е. усиливать пли гасить друг друга в зависимости от соотношения их фаз. Почему же обычно интерференция не проявляется? Дело в том, что для этого фазовое соотношение между волнами должно оставаться постоянным в течение интервала вре­ мени, необходимого для наблюдения. А это условие ни­ когда не выполняется для двух разных источников. Воз­ бужденные атомы или молекулы испускают отдельные элементарные «порции» света за очень короткие интер­ валы времени — миллиардные доли секунды. Начальные моменты этих отдельных актов испускания в обычных

136

источниках света (кроме лазеров) между собой никак ие согласованы. Поэтому не только между лучами от раз­ ных источников, но н между лучами от разных точек од­ ного источника света нс может быть постоянной разно­ сти фаз.

В каждый момент времени в какой-то точке освещен­ ного экрана волны совпадают по фазе, усиливают друг друга и дают большую освещенность. В каких-то других точках, где волны встречаются в противоположных фа­ зах (т. е. со сдвигом фаз па полиернода), опп друг друга ослабляют (пли даже полностью гасят, если пх амплиту­ ды равны) и дают минимальную освещенность. Следова­ тельно, в данный момент на экране образуется определен­ ная интерференционная картина распределения ярко и слабо освещенных мест (определяемая геометрическим расположением экрана и источников). Но уже в следую­ щий момент (через миллиардную долю секунды) карти­ на будет совсем другой, а еще через мгновение — опять иной и т. д. Поэтому при любом способе наблюдения (ви­ зуальном, фотографическом, фотоэлектрическом) мы за­ фиксируем равномерную освещенность всего экрана.

Стабильную интерференционную картину можно по­ лучить, если один пучок света от одной светящейся точки разделить на два (с помощью зеркала, призмы и т. п.), а затем вновь свести эти лучи на один экран.

Пройдя разные пути, лучи наберут определенную раз­ ность фаз. Она и будет оцределять интерференционную картину. Лучи, разность фаз между которыми постоянна, называются когерентными. Чтобы условие когерентности могло соблюдаться, длины волн этих лучей должны быть одинаковыми. На рис. 56 показано получение интерферен­ ционной картины на участке АВ экрана Э от когерентных мнимых источников и S2, образованных с помощью двой­ ного зеркала 3¡32 из реального источника S. Светлые и темные интерференционные полосы на экране — это гео­ метрические места точек, разность расстояний от которых до Si и S2 составляет целое число волн rik (для светлых по­ лос) и нечетное число полуволн ?гХ+Х/2 (для темных по­ лос) . Все эти полосы будут гиперболами. Светлые полосы для разных À смещены одна относительно другой — интер­ ференционная картина состоит из окрашенных полос. Ис­ ключение составляет только центральная полоса — прямая и белая.

Существует много способов получения когерентных лучей от одного источника. Очепь часто встречается в природе, например интерференционная картина, образо­ ванная лучами, отраженными от верхней и нижней по­ верхностен тонких пленок. Всем известные радужные полосы на поверхности луж, покрытых пленкой мазута, нефти илп керосина, представляют собой именно такие ин­ терференционные картины. Лучи, образованные расщепленпем падающего луча в кристаллах, тоже когереитпы.

Кроме когерентности очень важно н состояние поляризации интерферирующих лучей. Мы но существу молчаливо предпола­ гали, что они линейно поляри­ зованы в одной плоскости. Действительно, в общем случае это условие выполняется в ко­ герентных лучах. В каждом элементарном акте излучается поляризованный свет. Посколь­ ку интерферируют лучп от од­ ного источника, излученные в одних и тех же элементарных актах, то они в каждый момент

оба когерентных естественных луча поляризовать в одной плоскости с помощью николей или любым другим спо­ собом.

Если же два когерентных луча линейно поляризовать во взаимно перпендикулярных плоскостях, то при встре­ че они не создадут интерференционной картипы. Именно, так происходит в результате двойного преломления луча в кристаллической пластинке. И в одноосных п в двуос­ ных кристаллах расщепленные лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Это, конечно, не единственный способ получения когерентных и взаим­ но перпендикулярно поляризованных колебаний. Доста­

138

точно поставить па пути любой пары когерентных лучей два николя, ориентированных один относительно друго­ го под углом 90°, чтобы получить тот же результат — от­ сутствие интерференционной картины и аддитивное сло­ жение освещенностей. Стоит повернуть один нз ннколей па 90°, как интерференционная картина восстанавливается.

Впервые эти закономерности установили в начале XIX в. Aparo и Френель. Принципиальное значение опы­ тов состояло тогда в том, что они однозначно доказывали строгую поперечность световых волн и полное отсутствие продольной компоненты. В самом деле, если при взаим­

теоремы Пифагора), если колебания строго перпендику­ лярны направлению их распространения.

Что получается при сложении когерентных и взаимно перпендикулярно поляризованных световых волн, мы уже знаем. В зависимости от величины сдвига фаз между ними мы получим циркулярнопли эллиптически-поляри- зованный свет.

Анализ поляризованного света

При обычном анализе поляризовапного света с помощью одного ииколя-анализатора невозможно отличить свет, поляризованный по кругу, от естественного или же эллип- тичѳски-поляризованный От частично линейно-поляризо­ ванного. В обоих вариантах первого случая интенсивность света при вращении ннколя-анализатора не меняется. Точ­ но так же наличие двух максимумов и двух минимумов ин­ тенсивности за один полный оборот ннколя-анализатора имеет место в обоих вариантах второго случая.

Чтобы различить эти варианты, необходимо дополни­ тельно пользоваться теми же устройствами, с помощью которых получается циркулярноили эллиптлчески-поля- ризоваиный свет, т. е. фазовыми пластинками. Для полного анализа поляризованного света достаточно использование кроме ннколя-анализатора одной пластинки в четверть волны. Дело в том, что пластинка À/4 превращает цирку­ лярный свет в линейный так же, как линейный — в цирку­ лярный (очевидно, что две пластинки Х/4 тождественны одной пластинке Х/2). Циркулярный свет может быть пре­

6* 139