[論文レビュー] LARS - An Absolute Reference Spectrograph for solar observations, Upgrade from a prototype to a turn-key system

J. Loehner-Boettcher, W. Schmidt+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

LARSは、レーザー周波数コンブを用いて、1m s⁻¹未満の波長精度を実現する、アップグレードされた即時使用型の絶対波長基準分光計である。この装置は数時間にわたって安定かつ使いやすい運用を可能とし、太陽のドップラー・シフト、対流ブルースフィフト、pモード振動の高精度測定を可能にし、1 m s⁻¹の安定性を達成している。これにより、太陽大気モデルの向上と星間分光的校正が顕著に進展した。

ABSTRACT

LARS is an Absolute Reference Spectrograph designed for ultra-precise solar observations. The high-resolution echelle spectrograph of the Vacuum Tower Telescope is supported by a state-of-the-art laser frequency comb to calibrate the solar spectrum on an absolute wavelength scale. In this article, we describe the scientific instrument and focus on the upgrades in the last two years to turn the prototype into a turn-key system. The pursued goal was to improve the short-term and long-term stability of the systems, and enable a user-friendly and more versatile operation of the instrument. The first upgrade involved the modernization of the frequency comb. The Fabry-Perot cavities were adjusted to filter to a repetition frequency of 8GHz. A technologically matured photonic crystal fiber was implemented for spectral broadening. The second, quite recent upgrade was performed on the optics feeding the sunlight into a single-mode fiber connected to the spectrograph. A motorized translation stage was deployed to allow the automated selection of three different fields-of-view with diameters of 1", 3", and 10" for the analysis of the solar spectrum. The successful upgrades allow for long-term observations of up to several hours per day with a stable spectral accuracy of 1 m/s limited by the spectrograph. Stable, user-friendly operation of the instrument is supported. The selection of the pre-aligned fiber to change the field of view can now be done within seconds. LARS offers the possibility to observe absolute wavelength positions of spectral lines and Doppler velocities in the solar atmosphere. First results demonstrate the capabilities of the instrument for solar science. The accurate measurement of the solar convection, p-modes, and atmospheric waves will enhance our knowledge of the solar atmosphere and its physical conditions to improve current atmospheric models.

研究の動機と目的

• 高精度な太陽観測を目的とした、安定的で使いやすく、即時使用型の絶対波長基準分光計の開発。
• ヨウ素セル、スペクトルランプ、および大気線といった従来の波長校正法に起因する低強度、不規則な間隔、限界のある精度といった制限を克服すること。
• 太陽大気の動的挙動を測定するため、長期間にわたる安定性と高いスペクトル精度（1 m s⁻¹未満）を達成すること。
• 中心から縁への変化の研究に適した、選択可能な視野（1″、3″、10″）を備えた自動化・再現性のある測定を可能とすること。
• 高精度な太陽スペクトルアトラスの作成を支援し、太陽および星の大气モデルに対する制約を強化すること。

提案手法

• 本装置は、高分解能エッケラ分光計にレーザー周波数コンブ（LFC）を組み合わせ、絶対波長校正を実現している。
• LFCは、新規のレーザー・システム、8 GHzの繰返し周波数、安定したスペクトル拡張を実現するフォトニック結晶ファイバーを備えたアップグレードが施された。
• 新しい制御ソフトウェアにより、周波数コンブシステムの自動的かつ安定した運用が可能になった。
• モーター駆動の移動ステージを導入し、太陽光をシングルモードファイバーに注入するための3つの異なる視野（1″、3″、10″）間での自動切り替えが可能となった。
• 分光計は480–700 nmの波長域をカバーし、高いスペクトル分解能と安定性を有している。
• 本システムは、1日数時間にわたる長時間観測を可能とし、一貫した波長精度を維持している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー周波数コンブを用いた分光計は、長時間にわたる観測期間において、太陽ドップラー速度測定で1m s⁻¹未満の安定性を達成できるか？
• RQ2 太陽ディスク全体にわたる対流ブルースフィフトはどのように変化するか？LARSは十分な精度で中心から縁への変化を解明できるか？
• RQ3 絶対波長測定を用いることで、LARSは sunspot の umbrae において重力赤方偏移と対流ブルースフィフトをどの程度明確に区別できるか？
• RQ4 LARSは、将来の太陽スペクトルアトラスおよび星の大気モデルのための信頼性の高い高精度基準を提供できるか？
• RQ5 自動視野選択は、太陽分光計測における測定の再現性と運用効率をどのように向上させるか？

主な発見

• アップグレードされたLARSシステムは、数時間にわたる観測期間において、1 m s⁻¹の安定したスペクトル精度を達成した。
• 本装置は、1″、3″、10″の視野間を数秒で自動切り替えでき、運用効率が向上した。
• 5分周期、最大300 m s⁻¹の振幅のpモード振動が時間系列データで明確に解明された。
• ヘリオセントリック角μ = 0.9およびμ = 0.8における対流ブルースフィフトは、約150 m s⁻¹として一貫して測定された。
• 本装置は、中心から縁への波形非対称性（C字型）の変化を、類似例のない高い精度で測定可能であることを示した。
• 本システムは、重要な天体物理学的ラインの高精度スペクトルアトラス作成を支援し、太陽および星の大気モデルの校正を向上させた。