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Dans le milieu interstellaire, les grains de
poussière, que l'on sait être de forme allongée (un peu comme des
aiguilles), peuvent être alignés par un champ magnétique qui imprègne le milieu
interstellaire. Si tous les grains sont alignés, ils ``bloqueront'' les
ondes lumineuses qui sont polarisées parallèlement au grand axe des
grains, et laisseront passer les ondes polarisées perpendiculairement au
grand axe des grains. C'est ce qu'on appelle l'extinction [parce qu'une partie de la lumière est
bloquée] dichroïque [d'une direction par rapport
a l'autre].
La lumière d'étoiles situées derrière un nuage interstellaire est donc polarisée par les grains du nuage; en théorie, au total, seules les ondes polarisées perpendiculairement aux grands axes des grains passeront et nous atteindront. L'alignement n'est cependant pas parfait (tous les grains ne sont pas alignés parfaitement entre eux), et ce n'est pas toute la lumière qui est polarisée. En général, les grains interstellaires peuvent polariser entre 1 et 5% de la lumière.
Le phénomène de diffusion peut aussi polariser la lumière. La diffusion, c'est le processus par lequel une onde change de direction lorsqu'elle entre en interaction avec une particule (des électrons et des grains de poussière surtout). S'il y a diffusion, il y aura polarisation linéaire. Dans le cas des comètes, des étoiles jeunes, et d'étoiles qui ont autour d'elles des disques ou des enveloppes de poussières ou d'électrons. C'est la présence de grains de poussière ou des électrons qui polarise la lumière qui nous parvient de ces objets.
La figure suivante montre la diffusion sur un électron (ou un atome,
ou une molécule). Une onde est émise en 1, et elle est polarisée
linéairement, verticalement. L'onde arrive en 2 et interagit avec un
électron; sous l'influence de l'onde, l'électron se met à osciller
verticalement. Les vibrations ou ondes induites par l'électron sont
elles aussi orientées verticalement, et on peut les détecter à diverses
positions. Par exemple, la polarisation détectée en 3, 4, ou 5 est
verticale. A noter qu'il n'y a pas d'onde détectée en 6.
On peut représenter la même situation pour une onde incidente qui a une
polarization linéaire horizontale:
Pour un faisceau de lumière naturelle (non-polarisée), qui peut être
représenté par l'addition des 2 situations suivantes, on aura le
résultat présenté sur la figure suivante. La lumière non-polarisée est
émise en 1 et diffusée en 2 par l'électron. En 3, la lumière est
non-polarisée. En 4, la lumière est polarisée à 100% verticalement, ce
qui est perpendiculaire au plan de diffusion dans ce cas
(perpendiculaire au plan qui contient 1, 2, et 4). En 6, la lumière est
polarisée à 100%, perpendiculairement au plan de diffusion (ici,
perpendiculaire au plan qui contient 1, 2, et 6). En 4, qui est un cas
intermédiaire, la polarisation est polarisée un peu verticalement et un
peu horizontalement.
Pour l'observation d'étoiles, la direction de la polarisation
détectée indique l'orientation du disque entourant
l'étoile (s'il y a un disque), ou le sens de
l'aplatissement de l'étoile (si elle est aplatie), comme
l'indique la figure suivante, où la polarisation detectée (son
orientation) est indiquée à droite:
Plusieurs phénomènes physiques (extinction, diffusion, champs magnétiques, etc.) peuvent polariser la lumière détectée de certains objets astronomiques (étoiles situées derrière un nuage de poussières, étoiles aplaties ou entourées de disques, étoiles magnétiques, etc.). La polarisation est alors une information très intéressante qui permet de déterminer, par exemple, la géométrie d'un objet ou l'intensité de son champ magnétique. Dans certains cas, seule la polarisation de la lumière permet de déterminer ces quantités puisque les autres techniques d'observation (imagerie, spectroscopie, etc.) ne peuvet y arriver. La polarimétrie est donc une technique très utile aux astronomes!