ელექტრომაგნიტური ტალღების პოლარიზაცია

 ვინც სამოყვარულო დონის (და არა მარტო) გვერდებზე გამოქვეყნებულ ასტრო-სიახლეებს ადევნებს თვალს, ხშირად წაუკითხავს, რომ ასტრონომებმა, ნეიტრონული ვარსკვლავის, შავი ხვრელის, ვარსკვლავის თუ მთლიანი გალაქტიკის მაგნიტური ველის დაძაბულობა გაზომეს. ჩნდება შეკითხვა, როგორ შეიძლება შეისწავლო ათობით, ათასობითა და მილიონობით სინათლის წლის მანძილზე მდებარე ობიექტების მაგნიტური ველის თვისებები?

 ბუნებაში არსებული ოთხი ფუნდამენტური უქრთიერთქმედებიდან, მხოლოდ ორი ვრცელდება ძალიან დიდ მანძილებზე – ელექტრომაგნიტური და გრავიტაციული. ამ უკანასკნელისგან განსხვავებით (გრავიტაციული ასტრონომია ჯერ ახლა დგამს პირველ ნაბიჯებს), ელექტრომაგნიტური დიაპაზონით სამყაროს შესწავლა უკვე დიდი ხანია მიმდინარეობს, თვით სინათლეც ხომ მისი ერთ-ერთი ნაწილია. სწორედ ელექტრომაგნიტური გამოსხივებაა ჩვენი მთავარი მეკავშირე შორეული კოსმოსის კვლევის საქმეში.

ელექტრომაგნიტური ტალღა, ერთმანეთის პერპენდიკულარულად მერხევი ელექტრული და მაგნიტური ველების ერთობლიობაა. დროის ინტერვალში მომხდარი რხევათა რაოდენობა – სიხშირეა, ტალღის ქიმებს შორის მანძილი – ტალღის სიგრძე.

 ელექტრომაგნიტური გამოსხივება, ვაკუუმში ან გარემოში გავრცელებადი ტალღური ტიპის მოვლენაა. შედგება ერთმანეთისგან განუყოფელი ელექტრული და მაგნიტური ველებისგან, რომლებიც ერთიდაიგივე ფაზაში ირხევა, ერთმანეთისა და ტალღის გავრცელების მიმართულების მართობულ სიბრტყეში. ელექტომაგნიტურ გამოსხივებას სხვადასხვა ტიპად ყოფენ, ტალღის სიხშირის მიხედვით. ეს ტიპები მოიცავს (სიხშირის ზრდის მიმართულებით) რადიო ტალღებს, მიკროტალღებს, ტერაჰერცულ, ინფრაწითელ, ხილულ სინათლეს, ულტრაიისფერ გამოსხივებას, რენტგენის სხივებსა და გამა გამოსხივებას. სიხშირის საკმაოდ ვიწრო, ცვალებადი დიაპაზონი აღიქმება ცოცხალი ორგანიზმების თვალის მიერ. ამ დიაპაზონს ხილული სპექტრი, ან უბრალოდ სინათლე ეწოდება.

 ტალღები, რომელთა ელექტრული (E) და მაგნიტური (H) ველის მიმართულებები
სივრცეში უცვლელია ან გარკვეული კანონზომიერებით იცვლება, პოლარიზებულს უწოდებენ. პოლარიზაციის მიმართულებად E ველის მიმართულება არის აღებული. მკაცრად მონოქრომული (ერთი ფერის) გამოსხივება ყოველთვის პოლარიზებულია. სხვადასხვა სიგრძის ტალღებისგან შემდგარი გამოსხივების E ვექტორის რხევათა მიმართულება მოწესრიგებულადაც შეიძლება იცვლებოდეს და ქაოტურადაც. ქაოტურის შემთხვევაში, მას პოლარიზებულს უწოდებენ, მაგალითად, ჩვეულებრივი სინათლე. გამოიყენება პოლარიზაციის სიბრტყის ცნებაც, რომელიც E ვექტორის რხევათა მიმართულების პერპენდიკულარულია.

 არსებობს წრფივი პოლარიზაცია, რომლის დროსაც ელექტრული ველის E ვექტორი მიმართულებას არ იცვლის; წრიული – E ვექტორი ტალღის გავრცელების მიმართულებით ბრუნავს კუთხური სიჩქარით, რომელიც ტალღის კუთხურ სიხშირეს უტოლდება და თავის აბსოლიტურ მნიშვნელობას ინარჩუნებს; ელიფსური – ელექტრული ველის ბრუნვა წრიული პოლარიზაციის მსგავსია, ვექტორის სიდიდე კი ისე იცვლება, რომ მისი ბოლო ელიფსს შემოწერს. ელიფსური და წრიული პოლარიზაცია შეიძლება იყოს მარჯვენა (E ვექტორი საათის ისრის მიმართულებით ბრუნავს, თუ ჩვენკენ გავრცელებულ ტალღას ვუყურებთ), ან მარცხენა (საწინააღმდეგო მიმართულებით ბრუნვისას). ელექტრომაგნიტური ტალღა შეიძლება იყოს ნახევრად პოლარიზებულიც.

 ელექტრომაგნიტური გამოსხივების წყარო სხვადასხვა პოლარიზაციის ტალღების გენერაციას ახდენს. სითბური (სითბო) გამოსხივება, გენერირებული ქაოტურად მოძრავი ატომებისა და ელექტრონების მიერ, ყოველთვის არაპოლარიზებულია. მაგნიტურ ველში მბრუნავი ელექტრონების (დამუხტული ნაწილაკების) ნაკადის ციკლოტრონულ (პერიოდული გადახრები ტრაექტორიაზე) გამოსხივებას წრიული პოლარიზაცია აქვს. სწრაფად მოძრავი ერთი ელექტრონის სინქროტრონულ გამოსხივებას კი ელიფსური პოლარიზაცია. მაგნიტურ ველში ატომის ენერგეტიკული დონეები იშლება ქვედონეებად, შესაბამისად იშლება სპექტრული ხაზებიც (ზეემანის ეფექტი). იმის გამო, რომ მაგნიტურ ველში ელექტრონების რხევები გარკვეული წესით არის ორიენტირებული, ხაზთა კომპონენტებიც წრფივად, ელიფსურად ან წრიულად არის პოლარიზებული, გააჩნია როგორია კუთხე ველსა და დამზერის სხივის მიმართულებას შორის.

 კოსმოსურ სივრცეში, ზეემანის ეფექტი იმდენად სუსტია, რომ ხაზთა გაყოფა არ ხდება, თუმცა შეიძლება გამოვყოთ ხაზების პროფილთა მარჯვენა ან მარცხენა პოლარიზაცია. ასე იქნა აღმოჩენილი ზეემანის ეფექტი მზისა და ვარსკვლავების მაგნიტურ ველში, ასევე, ვარსკვლავთშორისი წყალბადის 21 სანტიმეტრიანი გამოსხივებისაც.

 1420 მეგაჰერცი (ანუ 21 სმ. სიგრძის ტალღა), ნეიტრალური წყალბადის ატომის იშვიათი გამოსხივებაა, გამოწვეული ამ ატომში მდებარე ელექტრონისა და პროტონის სპინების (ელემენტარული ნაწილაკის კვანტური მახასიათებელი) პარალელური ორიენტაციით. ამ დროს გენერირებული ჭარბი ენერგია, დაბალი სიმძლავრის, ზემოთ ხსენებული სიხშირის კვანტს (ფოტონს) გამოაქვს. ელექტრომაგნიტური ტალღა ხომ ფოტონების ნაკადია. სამყაროში ყველაზე გავრცელებული ელემენტი კი წყალბადია, ამიტომ ასტროფოზიკოსთა ინტერესი ამ დიაპაზონის მიმართ ძალიან მაღალია (აღსანიშნავია, რომ არამიწიერი გონის სიგნალების მაძიებელი ორგანიზაიაც (SETI – WOW და სხვა სიგნალები…) ამ დიაპაზონში უსმენს სამყაროს).

 სხვადასხვა ტიპის არეში გამავალი გამოსხივების პოლარიზაცია იცვლება. არაპოლარიზებული გამოსხივება, ნაწილობრივ პოლარიზებულად შეიძლება გადაიქცეს, ხოლო თავისუფალ ელექტრონებზე გაბნეული სინათლე – პოლარიზდეს, რაც ყველაზე უფრო მეტად 90 გრადუსიანი კუთხით გაბნევისას გამოიხატება. სინათლის გაბნევით გამოწვეული პოლარიზაცია კარგად არის ცნობილი, მაგალითად, ატმოსფეროს მიერ გაბნეული სინათლე (რეელისეული ეფექტი) ჰაერის მოლეკულებზე – პოლარიზებულია (თინდალის ეფექტი). ასეთი პოლარიზაცია ხდება მზის გვირგვინსა და ცხელი ვარსკვლევბის ატმოსფეროში, სადაც გაბნევის მეტი წილი ელექტრონებზე მოდის.

ტიპიური კოსმოსური მტვის ნაწილაკი.

 პოლარიზებულია კოსმოსურ მტვერზე გაბნეული სინათლეც, გაბნევის ან შთანთქმისას ვარსკვლავთშორისი ნაწილაკების მტვერზე. თუმცა, ამ მოვლენის ბუნება, სხვაგვარია. ვარსკვლავთშორისი მტვრის ნაწილაკებს, ჩვეულებრივ, უსწორმასწორო ფორმა აქვს (მაგალითდ, წაგრძელებული ერთი ღერძის გასწვრივ). მათი ორიენტაცია კი ვარსკვლავთშორის მაგნიტურ ველზეა დამოკიდებული. ნაწილაკის გრძელი ღერძის გასწვრივ ვექტორები უფორ მეტად შთაინთქმება და გაიბნევა, ამიტომ ასეთ არეში გავლილი სინათლე ნაწილობრივ პოლარიზებული აღმოჩნდება ხოლმე (სტატიის პირველი ფოტო – ჩვენი გალაქტიკის მაგნ. ველის მიერ ორიენტირებული მტვრის ნაწლაკთა მიხედვით გაკეთებული მაგნ. რუკა).

 პოლარიზაცია ხდება პლაზმაშიც. წრფივად პოლარიზებული გამოსხივება, ერთნაირი რაოდენობის სხვადასხვა მიმართულების წრიული პოლარიზაციის მქონე ფოტონებისგან შედგება. ამიტომ, დამაგნიტებულ პლაზმაში მოხვედრილი ტალღა, წრიული ან ელიფსური პოლარიზაციის ორი ტალღის ჯამად შეიძლება განვიხილოთ (ოღონდ, ელექტრული ვექტორის განსხვავებული მიმართულებებით). ეს ტალღები განსხვავებული ფაზური სიჩქარით ვრცელდება. პლაზმიდან გამოსვლილსას კი იკრიბება.

 პლაზმაში (იონიზირებული გაზი), მარჯვნივ და მარცხნივ პოლარიზებულ ტალღებს არა მარტო განსხვავებული ფაზური სიჩქარეები აქვს, არამედ შთანთქმის განსხვავებული კოეფიციენტიც. აქედან გამომდინარე, პლაზმაში გასული არაპოლარიზებული ტალღა, წრიულად ნაწილობრივ პოლარიზებული ხდება, რადგან განსხვავებული პოლარიზაციის მქონე ტალღა მეტად შთაინთქმება. ეს ეფექტი, მზის სპორაიდულ რადიო გამოსხივებაში დაიმზირება. თუ შთანთქმას უგულებელვყოფთ, ხოლო სხვადასხვა წრიული პოლარიზაციის მქონე ტალღების ფაზურ სიჩქარეებს გავითვალისწინებთ, პლაზმიდან გამოსული ერთი ტალღა ჩამორჩება, ზედდების შედეგად მიღებული ტალღა კი წრფივად პოლარიზებული დარჩება, ოღონდ ელექტრული ვექტორის გარკვეული კუთხით შებრუნებული რხევით, რასაც პოლარიზაციის სიბრტყის ფარადეისეულ ბრუნვას უწოდებენ (ინტერვიუ ზემასიური ხვრელის მეზობელთან). კოსმოსური რადიო გამოსხივების შესწავლაში ეს ეფექტი უმნიშვნელოვანესია. უდიდეს როლს შეიძლება თამაშობდეს ვარსკვლავების ოპტიკური გამოსხივების პოლარიზაციის ფორმირებაში, ვარსკვლავის გეომეტრიულად სიმეტრიულობის მიუხედავად.

 პოლარიზაცია, სამყაროს შესწავლაში ასტრონომთა მთავარი მეკავშირის უმნიშვნელოვანესი თვისება, პასუხი ზემოთ დასმულ შეკითხვაზე. ციურ სხეულთა მაგნიტური ველის ძალწირები ჩვენამდ ევერ აღწევს, მაგრამ ამ ველში ან იქ არსებულ მატერიაში გავლილი ელექტრომაგნიტური გამოსხივება – ცვლილებებს განიცდის, რითაც მასზე მოქმედი ველებისა თუ ნივთერებების მახასიათებლები შეგვიძლია დავადგინოთ.

Leave a Reply

თქვენი ელფოსტის მისამართი გამოქვეყნებული არ იყო. აუცილებელი ველები მონიშნულია *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.