[論文レビュー] An atmospheric radiation model for Cerro Paranal. I. The optical spectral range

Stefan Noll, Wolfgang Kausch+5 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2012

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ケロ・パラナルの光学スペクトル範囲をカバーする高精度な大気放射モデルを提示する。このモデルは、放射移動と1,186本のVLT FORS 1スペクトルの経験的分析を用いて、月光、星明かり、黄道光、可変性のあるエアグラウの発光を統合し、スカイブライト予測の精度を約20%にまで高め、従来のモデルに比べて露出時間計算機の性能を著しく向上させた。

ABSTRACT

The Earth's atmosphere affects ground-based astronomical observations. Scattering, absorption, and radiation processes deteriorate the signal-to-noise ratio of the data received. For scheduling astronomical observations it is, therefore, important to accurately estimate the wavelength-dependent effect of the Earth's atmosphere on the observed flux. In order to increase the accuracy of the exposure time calculator of the European Southern Observatory's (ESO) Very Large Telescope (VLT) at Cerro Paranal, an atmospheric model was developed as part of the Austrian ESO In-Kind contribution. It includes all relevant components, such as scattered moonlight, scattered starlight, zodiacal light, atmospheric thermal radiation and absorption, and non-thermal airglow emission. This paper focuses on atmospheric scattering processes that mostly affect the blue (< 0.55 mum) wavelength regime, and airglow emission lines and continuum that dominate the red (> 0.55 mum) wavelength regime. While the former is mainly investigated by means of radiative transfer models, the intensity and variability of the latter is studied with a sample of 1186 VLT FORS1 spectra. For a set of parameters such as the object altitude angle, Moon-object angular distance, ecliptic latitude, bimonthly period, and solar radio flux, our model predicts atmospheric radiation and transmission at a requested resolution. A comparison of our model with the FORS1 spectra and photometric data for the night-sky brightness from the literature, suggest a model accuracy of about 20%. This is a significant improvement with respect to existing predictive atmospheric models for astronomical exposure time calculators.

研究の動機と目的

• ケロ・パラナルにおける非常に望遠鏡（VLT）の露出時間計算機（ETC）の精度を向上させるために、大気放射効果をモデル化すること。
• 月光、星明かり、黄道光、大気熱放射、可変性のあるエアグラウ発光の波長依存的寄与を定量化し、モデル化すること。
• 太陽電波フレックス、夜間の時刻、季節的サイクルを含む観測データに基づいたエアグラウ変動のパラメトリックモデルを構築することにより、予測能力を向上させること。
• 3次元散乱計算とスケーリング関係を用いて、黄道光やエアグラウのような拡大放射源の正確な消光曲線を導出すること。
• 高精度なスカイモデル適合を可能にすることで、データ還元におけるスカイ背景差し引きの基盤を提供すること。

提案手法

• LBLRTMコードを用いた放射移動シミュレーションと、ケロ・パラナルに最適化された大気プロファイルを組み合わせ、分子吸収および散乱を計算する。
• 散乱月光は、Krisciunas & Schaefer (1991) の$V$バンドモデルを太陽スペクトルとパラナルの消光曲線を用いて光学範囲に外挿してモデル化する。
• 散乱星明かりは、3次元単一散乱と複数散乱補正を用い、Toller (1981) の統合星明かり分布とMattila (1980) の平均スペクトルを用いて計算する。
• 黄道光強度は、Leinert et al. (1998) のフレームワークを用い、地上観測での可視性を模擬するための3次元大気散乱計算を適用する。
• エアグラウ発光ラインと連続体は、1,186本のVLT FORS 1スカイスペクトルのデータセットを用いてパラメータ化し、変動は太陽電波フレックス、2か月周期、夜間の時刻、観測対象の位置を関数としてモデル化する。
• 最終的なスカイモデルは、すべての成分を合算して構築され、光度測定データと観測スペクトルとを用いて検証され、残差を最小化するようにモデルパラメータを調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射移動と経験的モデルを組み合わせた手法は、変動する大気的および天体的条件下において、ケロ・パラナルにおける光学的スカイブライトをどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 青色領域（λ < 0.55 μm）と赤色領域（λ > 0.55 μm）におけるスカイバックグラウンドの主な寄与要因は何か？また、時間的および幾何的要因によってどのように変化するか？
• RQ3 特にライン成分と連続体成分を含むエアグラウ発光変動は、観測データを用いてどのように効果的にパラメータ化できるか？
• RQ4 黄道光やエアグラウのような拡大スカイコンポーネントの有効消光を支配するスケーリング関係は何か？また、点源の消光とはどのように異なるか？
• RQ5 可変性のあるエアグラウおよび散乱成分を組み込むことで、静的モデルに比べて露出時間予測の精度がどの程度向上するか？

主な発見

• 本モデルは、FORS 1スペクトルおよび文献からの光度測定による夜間スカイブライトデータと比較した結果、予測精度が約20%に達した。
• 太陽電波フレックス、夜間の時刻、季節的周期をパrameterとする可変性のあるエアグラウ発光を組み込むことで、静的モデルに比べてモデルの整合性が著しく向上した。
• 0.7 μmより長い波長域におけるエアグラウ連続体の強度は滑らかに増加しており、短波長域を支配するプロセスとは異なる化学反応からの寄与を示唆している。
• よく知られた0.6 μmのエアグラウピークは非常に変動が大きく、太陽活動および観測条件に依存して強度が変化することが判明した。
• 黄道光やエアグラウのような拡大源に対する新たな散乱スケーリング関係を導出し、未減光源強度のみを用いて有効消光曲線補正を可能にするものとなった。
• エアグラウラインおよび連続体の長期平均強度を提供し、特に議論のあった赤色光学領域において、連続体形状の高精度な決定がなされた。