Magnetic Doppler Imaging

 

Das Magnetic Doppler Imaging (oder kurz MDI) hat sich in den letzten Jahren zu einem leistungsstarken Verfahren in der Astronomie entwickelt. Der Grundgedanke ist die Spektralpolarimetrie, also die Auswertung von Spektren, die zusätzlich zu den Positionen von Spektrallinien auch Informationen über die Polarisation des Lichtes in den Linien enthalten. Beim MDI handelt es sich genaugenommen um eine Kombination mehrerer Verfahren in einem einzigen Auswerteprozeß. Es lassen sich damit Aussagen über Geometrie von Magnetfeldern und über Elementhäufigkeiten bei Sternoberflächen treffen.

Einschub: Polarisation des Lichtes

Das Licht ist bekanntermaßen eine elektromagnetische Welle, also eine Änderung des elektrischen Feldes, die wiederum eine Auslenkung des magnetischen Feldes verursacht (und umgekehrt) und die im Raum fortschreitet. Im Normalfall hat die Richtung des elektrischen Feldes von Lichtwellen keine Vorzugsrichtung, ist also in alle Richtungen senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung gleichverteilt.

Wenn die Stärke des elektrischen Feldes jedoch in eine Richtung stärker ausgeprägt ist als in anderen, so spricht man von linear polarisiertem Licht. Polarisiertes Licht kann auf vielfältigem Wege erzeugt werden (Reflexion, Polfilter, aber auch wie hier durch Magnetfelder). Grundsätzlich können Lichtwellen mit verschiedenen Polarisationen überlagert werden, wobei zwei zueinander senkrecht stehende Polarisationsrichtungen gewissermaßen Grundzustände einer Polarisation darstellen, aus denen alle übrigen Polarisationszustände hergeleitet werden können.

Stokes-Parameter

In der Optik wird die Polarisation mit Hilfe der Stokes-Parameter beschrieben. Dabei handelt es sich um vier Größen, die die Intensität des Lichtes mit Polarisationen, die im Winkel von 0°, 45°, 90° und 135° zu einem idealen Polarisator stehen, beschreiben. Diese vier Größen können direkt gemessen werden und sind Basis für Berechnungen beim Magnetic Doppler Imaging.

Prinzip des MDI

Indem man verschiedene Spektren während der Eigenrotation eines Sterns mißt, bekommt man eine Zeitreihe von Beobachtungen unter verschiedenen Blickwinkeln. Über den Dopplereffekt, der sich in Form von Linienverschiebungen äußert, bekommt man zusammen mit der Polarisation, die durch das Magnetfeld hervorgerufen wird, Information über die Magnetfeldstruktur an der Sternoberfläche (dem Ort also, wo das Licht ausgesandt wurde). Auf der anderen Seite erhält man über die Intensität der Spektrallinien in Verbindung wiederum mit dem Dopplereffekt Erkenntnisse über Elementhäufigkeiten.

Die Verfahren sind nicht separierbar, deshalb müssen die zu erwartenden Meßwerte vollständig modelliert werden. Dazu wird ein Optimierungsalgorithmus eingesetzt. Das Magnetfeld an der Sternoberfläche wird samt Feldstärke und Feldrichtung ortsabhängig modelliert. Gleiches passiert mit der Elementverteilung. Ebenso werden Annahmen über den Stern selbst getroffen (Rotationsperiode, Achsneigung, Ausdehnung). Man bekommt mehrere Parameter, die von einer Software durchvariiert werden, bis eine bestmögliche Übereinstimmung mit den Meßdaten erreicht wurde.

Bei Anwendung des MDI muß beachtet werden, daß mehrdeutige Lösungen möglich sind. Diese müßten ggfs. durch andere Verfahren ausgeschlossen werden.

Literatur:
http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0910/0910.5556v1.pdf
Doppler Imaging of stellar magnetic fields