O instrumento utilizado para a medida da polariza¸c˜ao da luz das estrelas (veja a figura 4.2) foi a Nova Gaveta Polarim´etrica do IAG-USP (IAGPol), desenvolvida no Departa-
Figura 4.2: Esquerda: Diagrama esquem´atico da gaveta polarim´etrica IAGPol. Direita: Com- ponentes ´opticos presentes na gaveta polarim´etrica.
mento de Mecˆanica e a Se¸c˜ao T´ecnica de Eletrˆonica do IAG-USP sob a supervis˜ao do Dr. Antˆonio M´ario Magalh˜aes (Magalhaes et al., 1996). O mecanismo ´e composto basi- camente da gaveta polarim´etrica propriamente dita, contendo um conjunto de elementos ´opticos e mecˆanicos acoplados `a cˆamera direta de tal maneira que a luz passe pela ´optica antes de atingir o detector (figura 4.2 `a esq.); uma caixa de drivers, contendo os controles dos motores de passo e sensores da gaveta.
A id´eia b´asica por tr´as deste mecanismo consiste em inserir no caminho do feixe de luz, na ordem mostrada na figura 4.2 (`a dir.), os seguintes elementos ´opticos:
• Retardador acrom´atico: elemento que consiste de uma placa plano-paralela de um cristal uniaxial cortado paralelamente ao seu eixo ´optico. A lˆamina retardadora deve ser inserida na gaveta de maneira que o eixo ´optico fa¸ca um ˆangulo ψ com a dire¸c˜ao do P´olo Norte Celeste (PNC). Isto ´e necess´ario pois os ˆangulos de polariza¸c˜ao ser˜ao obtidos em referˆencia a esta dire¸c˜ao. O retardador pode rodar em passos de 22,5◦, de tal maneira
que 16 movimenta¸c˜oes da placa consistem em uma rota¸c˜ao completa (360◦). O efeito
f´ısico do retardador sobre a luz incidente ´e inserir uma diferen¸ca de fase de ∆φ entre as componentes do campo el´etrico paralela e perpendicular ao eixo ´optico do cristal (ver figura 4.3).
Figura 4.3: Exemplo do efeito f´ısico de um retardador de ∆φ = π (∆L = λ/2) sobre um feixe inicialmente linearmente polarizado a 45◦ do eixo ´optico: a diferen¸ca de fase introduzida entre as componentes paralela (verde) e perpendicular (azul) ao eixo ´optico fazem com que o feixe emergente seja linearmente polarizado na dire¸c˜ao −45◦. Neste caso, ψ = 0◦ (eixo ´optico paralelo
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a dire¸c˜ao do PNC) e θ = 45◦, de tal modo que 2ψ − θ = −45◦.
De maneira geral, a diferen¸ca de fase ´e dada por
onde s ´e a expessura da placa, λ ´e o comprimeto de onda da luz incidente e ne e no s˜ao os
´ındices de refra¸c˜ao associados aos raios extraordin´ario e ordin´ario do cristal, respectiva- mente. No entanto, o retardador utilizado na gaveta polarim´etrica ´e acrom´atico, ou seja, ∆φ ´e constante dentro da faixa do vis´ıvel. A diferen¸ca de caminho introduzida entre as duas dire¸c˜oes ´e dada por ∆L = λ(∆φ/2π).
A gaveta polarim´etrica aceita dois tipos de lˆamina retardadora: a placa de meia onda (∆φ = π , ∆L = λ/2), usada para medidas de polariza¸c˜ao linear, cujo efeito sobre a luz incidente plano-polarizada na dire¸c˜ao θ (em rela¸c˜ao ao PNC), ´e o de causar uma rota¸c˜ao em seu plano de polariza¸c˜ao de tal maneira que a luz emergente seja plano-polarizada na dire¸c˜ao 2ψ − θ (mostraremos isto matematicamente na se¸c˜ao 4.3.1), como exemplificado na figura 4.4 `a esquerda; a placa de 1/4 de onda (∆φ = π/2 , ∆L = λ/4) pode ser usada para medidas de polariza¸c˜ao circular e seu efeito sobre luz incidente circularmente polarizada ´e de convertˆe-la em luz linearmente polarizada e vice-versa (ver figura 4.4 `a direita).
Figura 4.4: Efeito da placa de meia onda (Esquerda) e da placa de 1/4 de onda (Direita) sobre luz incidente linearmente polarizada. No caso da esquerda, θ = 0◦ (luz inicialmente polarizada na dire¸c˜ao do PNC), de tal modo que 2ψ − θ = 2ψ.
• Analisador fixo: dispositivo que subdivide a luz incidente (ap´os passar pelo retardador) em dois feixes plano-polarizados entre si. O analisador utilizado no caso de fontes pontuais ´e o prisma de Savart (figura 4.5), que consiste em duas placas de calcita (birrefringente) divisoras de feixe posicionadas com seus eixos ´opticos a 45◦ da normal `a superf´ıcie e ainda
rotacionados a 90◦ entre si (veja a posi¸c˜ao dos eixos ´opticos na figura 4.5). Um feixe inci-
dente propagando atrav´es da placa 1 ´e dividido em dois feixes (ordin´ario e extraordin´ario) deslocados sobre o primeiro plano principal (este ´e o plano formado pelas dire¸c˜oes do eixo ´optico da placa 1 e pela dire¸c˜ao da luz incidente). Ao entrar na placa 2 o feixe ordin´ario passa a ser o feixe extraordin´ario e vice-versa. Mais uma vez o feixe extraordin´ario ´e deslo- cado, agora sobre o segundo plano principal, que ´e ortogonal ao primeiro. O resultado s˜ao dois feixes deslocados ao longo da diagonal. Desta maneira todos as fontes luminosas que s˜ao detectadas pelo CCD aparecem duplicadas (veja, por exemplo, a figura 4.8), de tal forma que um feixe ´e plano-polarizado na dire¸c˜ao do primeiro plano principal e o outro ´e plano-polarizado ortogonalmente ao primeiro, na dire¸c˜ao do segundo plano principal. A
presen¸ca de dois elementos (placa 1 e placa 2) garante que ambos os feixes percorram o mesmo caminho ´optico.
Figura 4.5: Passagem da luz atrav´es do prisma de Savart. Os feixes s˜ao deslocados nas placas 1 e 2 de tal maneira que o resultado final s˜ao dois feixes polarizados ortogonalmente posicionados ao longo da diagonal.
A vantagem da utiliza¸c˜ao de um elemento ´optico em que ambas as componentes de polariza¸c˜ao da luz podem ser observadas ´e que sua medida simultˆanea permite a realiza¸c˜ao de um c´alculo diferencial dos parˆametros polarim´etricos, possibilitando a coleta de dados em condi¸c˜oes atmosf´ericas n˜ao-fotom´etricas.
Para observa¸c˜oes de fontes extensas, ´e poss´ıvel tamb´em utilizar uma placa pola- rizadora, que permite a passagem de apenas uma componente da luz incidente.
• um Filtro, para que se possa selecionar uma regi˜ao espectral espec´ıfica a ser ana lisada. Neste trabalho utilizamos os filtros UBVRI do sistema fotom´etrico de Johnson/Cousins. Na se¸c˜ao 4.3.1 mostraremos como tal configura¸c˜ao de elementos ´opticos permite a medida da polariza¸c˜ao da luz incidente.