[論文レビュー] Polarization and Polarimetry: A Review

Sascha Trippe|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

この包括的なレビューは、天文学における偏光の物理学、観測技術、および天体物理学的応用を統合的にまとめている。偏光が電磁波の性質、光子の振る舞い、物質との相互作用（散乱、シンクロtron放射、磁場効果など）によってどのように生じるかを詳述するとともに、電波からガンマ線にわたる波長域における観測手法を概説し、太陽物理学から宇宙マイクロ波背景放射の偏光まで、特に宇宙インフレーションと関連するEモードおよびBモードを含む主要な科学的課題を強調している。

ABSTRACT

Polarization is a basic property of light and is fundamentally linked to the internal geometry of a source of radiation. Polarimetry complements photometric, spectroscopic, and imaging analyses of sources of radiation and has made possible multiple astrophysical discoveries. In this article I review (i) the physical basics of polarization: electromagnetic waves, photons, and parameterizations; (ii) astrophysical sources of polarization: scattering, synchrotron radiation, active media, and the Zeeman, Goldreich-Kylafis, and Hanle effects, as well as interactions between polarization and matter (like birefringence, Faraday rotation, or the Chandrasekhar-Fermi effect); (iii) observational methodology: on-sky geometry, influence of atmosphere and instrumental polarization, polarization statistics, and observational techniques for radio, optical, and X/gamma wavelengths; and (iv) science cases for astronomical polarimetry: solar and stellar physics, planetary system bodies, interstellar matter, astrobiology, astronomical masers, pulsars, galactic magnetic fields, gamma-ray bursts, active galactic nuclei, and cosmic microwave background radiation.

研究の動機と目的

• 偏光物理学とその天体物理学的診断における役割について、統合的かつ最新の概要を提供すること。
• 散乱、磁場、放射-物質相互作用など、多様な天体物理学的環境における偏光の物理的起源を明確にすること。
• 電波、光学、高エネルギー波長域にわたる観測手法を体系化し、機器的および大気的課題に対処すること。
• 光度測定、分光法、画像法だけでは得られない、偏光が提供する独自の天体物理学的知見を強調すること。
• 将来の発見に向けたX/γ線偏光計測および光学干渉偏光計測の新たな可能性に焦点を当てる。

提案手法

• 電磁波の偏光を記述するため、マクスウェル方程式と波動理論を用い、空間的・時間的変化における電場ベクトルの振る舞いに注目する。
• 光子のスピンとヘリシティに着目した量子力学的概念を適用し、偏光を量子論的レベルで説明する。
• ジョーンズ記法、ストークスパラメータ、ミュラー記法という3つの形式を用いて、偏光状態の数学的表現と変換を実施する。
• 偏光生成メカニズムの分析：散乱（ダスト、電子）、シンクロtron放射、ゼーマン効果、ゴールドレーチ＝キラフィス効果、ハンレ効果。
• 偏光-物質相互作用（ファラデー回転、二重屈折、チャンドラセカール＝フェルミ効果）を検討し、偏光の消失プロセスを含む。
• 観測戦略のレビュー：天球投影の幾何学的配置、大気および機器由来の偏光補正、低信号領域における統計的手法。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁波の性質と光子のスピンが、天体的源における観測可能な偏光状態をどのように生じさせるか？
• RQ2 散乱媒体、磁場を有するプラズマ、相対論的ジェットなど、異なる天体物理学的環境における偏光を生成する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 偏光測定が、星から初期宇宙までの対象において、磁場、粒子分布、放射の非等方性をどのように制約するか？
• RQ4 電波、光学、X/γ線帯域における偏光測定の主な観測的課題は何か。それらはどのように克服されているか？
• RQ5 特にCMBのBモード偏光が、初期宇宙の重力波と宇宙インフレーションをどれほど探査できるか？

主な発見

• 偏光は、放射源の内部幾何構造と本質的に関連しており、磁場、散乱の幾何、プラズマ状態に関する独自の知見を提供する。
• ダスト粒子や電子による散乱は、周囲星のエンvelope、惑星の大気、太陽コロナなどにおいて顕著な線形偏光を生成する。
• 磁場中を運動する相対論的電子によるシンクロtron放射は、電波帯およびX線帯における偏光放射の主要因である。
• ゼーマン効果、ゴールドレーチ＝キラフィス効果、ハンレ効果は、星や銀河間空間における磁場の直接測定を可能にする偏光シグナルを提供する。
• ファラデー回転と偏光の消失は、磁場を有するプラズマにおいて重要な効果であり、銀河間空間における偏光観測に制限をもたらすが、同時に観測の手がかりにもなる。
• 宇宙マイクロ波背景（CMB）のEモードおよびBモード偏光は、初期宇宙の重力波とスカラー摂動を調べる重要なプローブであり、Eモードは既に検出済みで、Bモードは最近、マイクロケルビン未満のレベルで観測された。