제만효과편광

제만효과편광은 제만효과 때문로 방출선스펙트럼 또는 흡수선스펙트럼에 나타나는 빛의 편광이다. 자기장이 관측자를 향하면, 분광선은 일부 원형편광되고, 자기장의 방향이 관측자의 시선과 수직이면 분광선은 일부 선형편광된다. 원형편광은 스토크스매개변수 @@NAMATH_INLINE@@V@@NAMATH_INLINE@@로 기술할 수 있고, 선형편광은 스토크스매개변수 @@NAMATH_INLINE@@Q@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@U@@NAMATH_INLINE@@로 기술할 수 있다. 제만효과편광을 측정하려면 고해상도 분광편광기로 모든 스토크스매개변수 @@NAMATH_INLINE@@I, V, Q, U@@NAMATH_INLINE@@의 스펙트럼을 기록해야 한다.

목차

자기장이 있을때, 동일한 분광선을 만드는 원자들은 세 가지 종류로 구분할 수 있다. 하나의 원자를 구성하는 모든 전자들의 회전을 전자들의 각운동량 벡터로 나타낼 수 있다. 이 각운동량 벡터의 방향 성분이 없는 원자는 내부 전자들이 자기장을 기준으로 회전하는 성질이 없다(무회전 원자). 각운동량 벡터의 자기장 방향 성분이 양인 원자는 내부 전자들이 자기장을 기준으로 오른나사처럼 회전한다(오른나사 원자). 그리고 각운동량벡터의 자기장 방향 성분이 음인 원자는 내부전자들이 자기장을 기준으로 왼나사처럼 회전한다(왼나사 원자). 왼나사 원자는 무회전 원자에 비해 위치에너지가 낮고, 오른나사 원자는 내부 에너지가 높다(그림 1). 따라서 왼나사 원자가 흡수/방출하는 빛의 파장은 길어지고(적색 성분), 오른나사 원자가 흡수/방출하는 빛의 파장은 짧아진다(청색성분). 이때 왼나사 원자들을 구성하는 전자들은 일관성 있게 진동하기 때문에, 적색성분 빛은 일부 편광된다. 마찬가지로 오른나사 원자들을 구성하는 전자들도 일관성 있게 진동하므로, 청색성분 빛도 일부 편광된다. 중요한 것은 두 성분이 편광 부호가 반대라는 점이다. 편광을 측정할 수 있기 위해서는 두 성분은 섞이지 말고 뚜렷이 구분되어야 한다. 그래서 제만효과편광을 재려면 선폭은 가는 것이 좋고, 제만분열은 큰 것이 좋다.

그림 1. 제만효과의 원리. 원자을 구성하는 전자들의 각운동량, 자기모멘트, 위치에너지.(출처: 채종철/한국천문학회)

자기장의 방향이 관측자의 시선과 나란한 경우에는 제만효과는 원형편광을 유발한다. 그림 2는 자기장이 관측자를 향하는 경우이다. 오른나사 원자는 에너지가 높으므로, 파장이 짧은 청색성분을 만든다. 방출선스펙트럼에서는 전자들의 회전방향과 같은 방향, 곧 반시계 방향으로 방출되는 빛의 전기장도 회전한다. 시계방향으로 전기장이 회전하는 빛을 양의 원형편광으로 정의하므로, 청색성분은 음의 방향으로 원형편광된다, 따라서 원현편광을 기술하는 스토크스매개변수 @@NAMATH_INLINE@@V@@NAMATH_INLINE@@도 음의 값을 갖는다. 왼나사 원자가 방출하는 적색 성분은 양의 방향으로 원형편광된다.

흡수선스펙트럼에서는 오른나사원자는 음의 방향으로 원형편광된 빛을 흡수한다. 따라서 원래 빛이 편광되지 않은 빛이라면 흡수선의 청색 성분은 양의 방향으로 원형편광되고, 적색성분은 음의 방향으로 원형편광된다.

자기장이 시선과 나란한 경우에, 무회전 원자는 스펙트럼의 방출이나 흡수에 아무런 영향이 없다. 이런 원자가 흡수하거나 방출하는 빛은 시선과 수직한 방향으로 진행하기 때문에, 관측자에게 오지 않는다.

그림 2. 제만효과와 원형편광. (출처: 채종철/한국천문학회)

자기장의 방향이 시선과 수직이면 제만효과는 선형편광을 유발한다. 그림 3은 자기장이 관측자에게 직각인 경우이다. 특히 그림에 보이는 것처럼 방향이 수직(위아래 방향)이라고 하자. 이 경우에 관측자에게 오른나사 원자를 구성하는 전자들과 왼나사 원자를 구성하는 전자들은 관측자가 볼 때, 수평인 방향으로 진동하는 것으로 보이고, 무회전 원자를 구성하는 전자들은 수직인 방향으로 진동하는 것으로 보인다. 스펙트럼 형성에는 세 성분이 모두 기여한다. 따라서 이 경우에는 스펙트럼은 청색성분과 적색성분은 물론이거니와 파장의 변화가 없는 정지성분도 나타난다. 정지성분은 무회전 원자들이 만드는 것이다.

방출선스펙트럼에서는 전자들의 진동과 같은 방향으로 선평편광된다. 즉, 청색성분과 적색성분은 수평 방향으로 선형편광되며, 정지성분은 수직 방향으로 선형편광된다. 흡수선스펙트럼에서는 전자들의 진동 방향과 수직인 방향으로 선형편광된다. 청색성분과 적색성분은 수직 방향으로 선형편광되며, 정지성분은 수평 방향으로 선형편광된다(그림 3). 수직방향을 선형편광의 기준으로 잡으면, 수직방향으로 선형편광된 파장에서는 스토크스매개변수 @@NAMATH_INLINE@@Q@@NAMATH_INLINE@@는 양의 값을, 수평방향으로 선형편광된 빛은 음의 값을 갖는다. 일반적으로 비스듬한 방향으로 선형편광된 경우를 기술하려면 스토크스매개변수 @@NAMATH_INLINE@@Q@@NAMATH_INLINE@@는 물론이고, 스토크스매개변수 @@NAMATH_INLINE@@U@@NAMATH_INLINE@@의 값도 지정해야 한다.

그림 3. 제만효과와 선편광. (출처: 채종철/한국천문학회)

그림 4. 제만효과편광의 실제 관측 사례. 백색광(왼쪽)으로 찍은 태양흑점에 수직 방향으로 슬릿을 놓고 찍은 흡수선스펙트럼(I), 원형편광 스펙트럼(V), 선형편광 스펙트럼(Q와 U). 태양관측위성 히노데(Hinode)에 장착한 분광편광기(spectropolarimeter, SP)로 얻은 관측 자료 사용함. (출처:채종철/한국천문학회). 각 스펙트럼에서 파장은 왼쪽에서 오른쪽으로 증가한다.

그림 4는 태양흑점을 가로 지르는 슬릿을 통해 나온 흡수스펙트럼의 스토크스매개변수 스펙트럼을 나타낸다. 흑점의 암부에서 잰 @@NAMATH_INLINE@@V@@NAMATH_INLINE@@ 스펙트럼은, 각 흡수선의 짧은 파장쪽에서는 양의 값을, 파장이 긴 파장쪽에서는 음의 값을 갖는다. 그림 2와 비교하면 암부에서는 자기장이 관측자로 향하고 있음을 알 수 있다. 즉, 자기장의 시선 방향 성분은 양이다. 그런데 흑점 바깥에는 @@NAMATH_INLINE@@V@@NAMATH_INLINE@@ 스펙트럼의 부호가 암부와 반대가 되는 점들이 있다. 이 점에서는 자기장이 관측자에게서 멀어지는 쪽으로 향하고 있다. 즉, 자기장의 시선 방향 성분은 음이다. 이로 보건대, 강한 흑점 주변에는 흑점과 극성이 반대인 작은 자기 구조들이 존재함을 알 수 있다.

한편, 선형편광을 기술하는 @@NAMATH_INLINE@@Q@@NAMATH_INLINE@@ 스펙트럼과 @@NAMATH_INLINE@@U@@NAMATH_INLINE@@ 스펙트럼의 절대값은 흑점의 아랫쪽 반암부에서 가장 큼을 알 수 있다. 따라서 이 곳이 자기장의 수평성분이 매우 강한 곳임을 알 수 있다. 백색광 영상에 보이는 휘감기는 듯한 반암부 피브릴들(가늘고 긴 구조물들)은 강하고 휘어진 수평자기장이 존재한다는 간접 증거이다.