Numeriske og eksperimentelle metoder er præsenteret for flere spredning af lys i diskrete tilfældige medier af tætpakkede partikler. Metoderne er udnyttet til at fortolke observationer af asteroide (4) Vesta og Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko.
Teoretiske, numeriske og eksperimentelle metoder præsenteres for multipel spredning af lys i makroskopiske diskrete tilfældige medier af tætpakkede mikroskopiske partikler. De teoretiske og numeriske metoder udgør en ramme for den radiative overførsel med gensidige transaktioner (R2T2). R2T2 Framework indebærer Monte Carlo Order-of-scattering sporing af interaktioner i frekvens rummet, forudsat at de grundlæggende scatterers og absorbere er bølgelængde-skala volumen elementer bestående af et stort antal tilfældigt distribuerede partikler. De diskrete tilfældige medier er fuldt pakket med volumen elementerne. For sfæriske og nonsfæriske partikler beregnes samspillet inden for volumen elementerne nøjagtigt ved hjælp af henholdsvis superposition T-matrix metoden (stmm) og volumen Integral Lignings metoden (viem). For begge partikel typer beregnes samspillet mellem forskellige volumen elementer nøjagtigt ved hjælp af STMM. Da vektoriseringen finder sted inden for de diskrete tilfældige medier, anvendes usammenhængende elektromagnetiske felter, det er, at det sammenhængende felt af volumen elementerne fjernes fra samspillet. De eksperimentelle metoder er baseret på akustisk levitation af prøverne for ikke-kontakt, ikke-destruktiv spredning målinger. Levitation indebærer fuld ultralyds kontrol af prøve positionen og orienteringen, det er seks grader af frihed. Lyskilden er en laser drevet hvid lyskilde med en mono kromator og polarisator. Detektoren er et mini-Photomultiplier-rør på et roterende hjul, der er udstyret med polarisatorer. R2T2 er valideret ved hjælp af målinger for en mm-skala sfærisk prøve af tætpakkede sfæriske silica-partikler. Efter validering anvendes metoderne til at fortolke astronomiske observationer for asteroide (4) Vesta og Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (figur 1) for nylig BESØGT af NASA Dawn mission og ESA Rosetta mission, hhv.
Asteroider, hale nuclei, og Airless Solar systemobjekter på store er dækket af planetariske regoliths, løse lag af partikler af varierende størrelse, form, og sammensætning. For disse objekter observeres to allestedsnærværende astronomiske fænomener ved små solfasede vinkler (solen-objekt-observatør vinklen). For det første observeres lysstyrken af det spredte lys i den astronomiske størrelses skala for at øge nonlinearly mod nulfasens vinkel, almindeligvis kaldet oppositions effekten1,2. For det andet er det spredte lys delvist lineært polariseret parallelt med sprednings planet (solen-objekt-observatør flyet), almindeligvis kaldet negativ polarisering3. Fænomenerne har manglet kvantitativ tolkning siden slutningen af 19 århundrede for oppositionen effekt og siden begyndelsen af 20 århundrede for den negative polarisering. Deres korrekte fortolkning er en forudsætning for den kvantitative fortolkning af de fotometriske, polarimetriske og spektrometriske observationer af Airless-objekter samt radar spredning fra deres overflader.
Det er blevet foreslået4,5,6,7 , at den sammenhængende backscattering mekanisme (CBM) i flere spredning er i det mindste delvist ansvarlig for de astronomiske fænomener. I CBM, delvise bølger, interagere med de samme scatterers i modsat rækkefølge, altid blande sig konstruktivt i den nøjagtige backscattering retning. Dette skyldes de sammenfaldende optiske stier af de gensidige bølger. I andre retninger, interferensen varierer fra destruktiv til konstruktiv. Konfigurational gennemsnit inden for et diskret tilfældigt medium af partikler resulterer i øget tilbagespredning. Med hensyn til den lineære polarisering, CBM er selektiv og resulterer i negativ polarisering i tilfælde af positivt polariserende enkelt scatterers, en fælles karakteristisk i enkelt spredning (CF. Rayleigh spredning, Fresnel refleksion).
Spredning og absorption af elektromagnetiske bølger (lys) i et makroskopisk tilfældigt medium af mikroskopiske partikler har udgjort et åbent beregningsmæssige problem i planetariske astrofysik8,9. Som illustreret ovenfor har dette resulteret i fraværet af kvantitative inverse metoder til fortolkning af jordbaserede og rumbaserede observationer af solsystem objekter. I det nuværende manuskript præsenteres nye metoder til at bygge bro over kløften mellem observationerne og deres modellering.
Eksperimentelle målinger af spredning ved en lille partikel prøve i en kontrolleret position og orientering (seks frihedsgrader) er forblevet åbne. Sprednings karakteristikaene for enkelt partikler er tidligere blevet målt som ensemble gennemsnit overstørrelse, form og orienterings fordeling10 ved at indføre en partikel gennemstrømning gennem måle volumenet. Scattering egenskaber for enkelt partikler i levitation er blevet udført ved hjælp af, for eksempel, elektrodynamisk levitation11 og optiske pincet12,13,14. I det nuværende manuskript tilbydes en ny Eksperimentel metode baseret på ultralydlevitation med fuld kontrol over prøve positionen og orienteringen15.
Det nuværende manuskript opsummerer resultaterne af et projekt, der blev finansieret i fem år i 2013-2018 af det Europæiske Forskningsråd (ERC): spredning og absorption af elektromagnetiske bølger i partikel medier (SAEMPL, ERC Advanced Grant). Det lykkedes saempl at opfylde sine tre hovedmålsætninger: for det første blev nye numeriske Monte Carlo-metoder afledt for multipel spredning af diskrete tilfældige medier af tætpakkede partikler16,17,18; for det andet blev nye eksperimentelle instrumentering udviklet og konstrueret til kontrollerede laboratoriemålinger af validerings prøver i levitation15; for det tredje blev de numeriske og eksperimentelle metoder anvendt til at fortolke astronomiske observationer19,20.
I det følgende beskrives protokoller til anvendelse af den eksperimentelle sprednings pipeline til målinger, den tilsvarende beregnings pipeline samt applikations pipelines i detaljer. Computational pipeline består af software til asymptotisk nøjagtige beregninger i tilfælde af finite systemer af partikler (superposition T-matrix metode stmm21 og volumen Integral ligning metode viem22) og omtrentlige beregninger for asymptotisk uendelige diskrete tilfældige medier af partikler ved hjælp af flere sprednings metoder (Siris23,24, radiativ overførsel med sammenhængende backscattering rt-CB8,9og Radiativ overførsel med gensidige transaktioner R2T216,17,18). Forsøgs rørledningen omfatter tilberedning, opbevaring og udnyttelse af prøverne, deres levitation i måle volumenet og udførelse af den faktiske sprednings måling i hele spektret af spredningsvinkler med varierende polarisator Konfigurationer. Applikations ledningen vedrører udnyttelsen af de beregningsmæssige og eksperimentelle rørledninger med henblik på at fortolke astronomiske observationer eller eksperimentelle målinger.
Eksperimentelle, teoretiske og beregningsmæssige metoder er blevet præsenteret for let spredning af diskrete tilfældige medier af partikler. De eksperimentelle metoder er blevet udnyttet til at validere de grundlæggende begreber i den teoretiske og beregningsmæssige metoder. Sidstnævnte metoder er blevet anvendt med succes i fortolkningen af astronomiske observationer af asteroide (4) Vesta og Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko.
Den eksperimentelle scatterometer bygger på ultralydkontrolleret prøve levitation, der giver mulighed for Mueller-matrix målinger for en prøve aggregat i en ønsket retning. Aggregatet kan gentagne gange udnyttes i målingerne, da det er muligt at bevare aggregatet efter hvert målesæt. Det er første gang, at sådanne ikke-kontakt-, ikke-destruktive sprednings målinger udføres på en prøve under fuld kontrol.
De teoretiske og beregningsmæssige metoder er afhængige af de såkaldte usammenhængende sprednings-, absorptions-og udslettelses processer i tilfældige medier. Der henviser til, at de nøjagtige elektromagnetiske interaktioner altid forekommer sammenhængende inden for et uendeligt tilfældigt medium efter konfigurationelt gennemsnit, men kun usammenhængende interaktioner forbliver blandt volumen elementer af partikler. I det nuværende arbejde, er de usammenhængende interaktioner mellem disse elementer præcist tegnede sig for ved hjælp af Maxwell ligninger: efter at trække de sammenhængende felter fra markerne i fri plads, er det de usammenhængende områder inden for det tilfældige medium, der forbliver. Behandlingen er i øjeblikket blevet taget til sin fuldstændig stringens i, at samspillet, samt udryddelse, spredning, og absorption koefficienter af mediet, er afledt inden for rammerne af usammenhængende interaktioner. Desuden har det vist sig, at regnskabsmæssige for de sammenhængende felt virkninger på grænsefladen mellem det frie rum og det tilfældige medium resulterer i en vellykket samlet behandling for et begrænset tilfældigt medium.
Anvendelsen af de teoretiske og beregningsmæssige metoder er blevet illustreret for eksperimentelle målinger af en mm-skala sfærisk prøve aggregat sammensat af submicron-skala sfæriske SiO2 partikler. Ansøgningen viser utvetydigt, at prøven aggregatet skal bestå af en fordeling af partikler med varierende størrelser, i stedet for at være sammensat af ækvisize sfæriske partikler. Der kan være vidtrækkende konsekvenser af dette resultat for karakteriseringen af tilfældige medier: det er plausibelt, at medierne er betydeligt mere komplekse end det, man tidligere har udledt ved hjælp af de mest avancerede karakteriserings metoder.
Den synoptiske fortolkning af spektret for asteroide (4) Vesta på tværs af de synlige og nær-infrarøde bølgelængder samt Vesta s fotometriske og polarimetriske fase kurver ved bølgelængden på 0,45 μm viser, at det er praktisk at anvende de numeriske metoder i begrænse mineral sammensætningerne, partikelstørrelsesfordelinger, samt regolith volumen tæthed fra fjerntliggende astronomiske observationer. Sådanne hentninger forstærkes yderligere af den samtidige fortolkning af de fotometriske fase kurver for Comet 67p/churyumov-gerasimenko vedrørende dens koma og kernen. Endelig er realistisk modellering af den polarimetriske fase kurve på 67P opnået20. Der er store fremtidsudsigter i forbindelse med anvendelsen af de nuværende metoder i fortolkningen af observationer af solsystem objekter som helhed.
Der er fremtidsudsigter for den nuværende kombinerede eksperimentelle og teoretiske fremgangsmåde. Da det er yderst vanskeligt præcist at karakterisere tilfældige medier bestående af inhomogeniteter af sub-bølgelængde-skala, kan kontrollerede Mueller-matrix målinger tilbyde et værktøj til at hente oplysninger om volumen tæthed og partikelstørrelsesfordeling i mediet. Kvantitative inversion af disse fysiske parametre lettes ved hjælp af de nye numeriske metoder.
The authors have nothing to disclose.
Forskning støttet af EFR’S avancerede Grant 320773. Vi takker laboratoriet for kronologi af det finske naturhistoriske museum for hjælp med prøve karakterisering.
10GL08 | Newport | Calcite polarizer | |
12X Zoom Body Tube 1-50487AD | Navitar | Microscope objective | |
43-412-000 | Edmund optics | Optical flat | |
8MPR16-1 | Standa | Motorized Polarizer Rotator | |
8MRB240-152-59D | Standa | Rotation stage | |
8SMC5-ETHERNET | Standa | Motor controller | |
Digi-pas DWL3500XY | Digi-pas | Digital 2-axis level | |
DMT 65-D25-HiDS | Owis | Optics rotation stage | |
EQ-99 LDLS | Energetiq | Light source | |
FL488-10 | Thorlabs | Laser line filter | |
IBM 65-D0-35-HiDS | Owis | Motorized iris shutter | |
LPVISE100-A | Thorlabs | Film polarizer | |
microPMT H12403-01 | Hamamatsu | Photomultiplier tube | |
NI PXIe-5171R | National Instruments | Digital oscilloscope | |
NI PXIe-8880 | National Instruments | PXIe chassis | |
Phantom v611 | Vision Research | High speed camera | |
PS 10-32-DC | Owis | Motor controller | |
RC08FC-P01 | Thorlabs | Fiber collimator | |
SET-NDF-D22-G25 | Owis | Neutral density filter | |
TIA60 | Thorlabs | PMT amplifier |