[論文レビュー] Molecfit: A general tool for telluric absorption correction. I. Method and application to ESO instruments

A. Smette, H. Sana+11 more|Lirias (KU Leuven)|Jan 28, 2015

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 21被引用数 267

ひとこと要約

Molecfit は、リアルタイムの気象データと放射移動を用いた大気透過モデルを用いて、地上望遠鏡のスペクトルにおける吸収を補正する、物理に基づいた多目的ツールである。不飽和線において2%未満の残差標準偏差を達成し、従来の標準星観測の精度と同等またはそれを上回るが、専用の観測時間は不要である。

ABSTRACT

Context: The interaction of the light from astronomical objects with the constituents of the Earth's atmosphere leads to the formation of telluric absorption lines in ground-based collected spectra. Correcting for these lines, mostly affecting the red and infrared region of the spectrum, usually relies on observations of specific stars obtained close in time and airmass to the science targets, therefore using precious observing time. Aims: We present molecfit, a tool for correcting for telluric absorption lines based on synthetic modelling of the Earth's atmospheric transmission. Molecfit is versatile and can be used with data obtained with various ground-based telescopes and instruments. Methods: Molecfit combines a publicly available radiative transfer code, a molecular line database, atmospheric profiles, and various kernels to model the instrument line spread function. The atmospheric profiles are created by merging a standard atmospheric profile representative of a given observatory's climate, of local meteorological data, and of dynamically retrieved altitude profiles for temperature, pressure, and humidity. We discuss the various ingredients of the method, its applicability, and its limitations. We also show examples of telluric line correction on spectra obtained with a suite of ESO Very Large Telescope (VLT) instruments. Results: Compared to previous similar tools, molecfit takes the best results for temperature, pressure, and humidity in the atmosphere above the observatory into account. As a result, the standard deviation of the residuals after correction of unsaturated telluric lines is frequently better than 2% of the continuum. Conclusion: Molecfit is able to accurately model and correct for telluric lines over a broad range of wavelengths and spectral resolutions. (Abridged)

研究の動機と目的

• 近赤外および中赤外領域における天文スペクトルの歪みを引き起こす地上観測におけるテルルリック吸収の課題に対処すること。
• 天候、スケジューリング、SN比の制限により実行が困難な、時間とリソースを要する標準星観測に依存するのを減らすこと。
• ESO機器の多様な観測条件に適用可能な汎用補正ツールの開発により、データ品質と分析効率を向上させること。
• 気象データをリアルタイムで組み込んだ大気モデルを活用し、科学的ターゲットスペクトルのみを用いて正確なテルルリック補正を可能とすること。
• 現在の観測およびアーカイブデータの再処理に適した、堅牢で自動化されたソリューションを提供し、既存データセットの科学的利回りを向上させること。

提案手法

• Molecfit は、GENLN2 を基盤とするラインごとの放射移動コードと、高分解能分子線データベース（例：HITRAN）を組み合わせ、大気透過をシミュレートする。
• 標準的大気プロファイルに加え、局所のリアルタイム気象データ（温度、気圧、湿度）と、動的に取得された高度プロファイルを統合し、精度を向上させる。
• 専用のカーネルを用いて、装置の線幅関数（LSF）をモデル化し、合成スペクトルと装置応答の高精度な畳み込みを可能にする。
• ユーザーが不飽和テルルリック線を含むスペクトル領域を指定する。Molecfit はこれらの領域にフィットさせ、H₂O、CO₂、O₃ の柱密度およびLSFパラメータを推定する。
• 補正済みの透過スペクトルが、全科学スペクトルに適用され、コンtinuumを保持したままテルルリック吸収を除去する。
• この手法は、内蔵基準としてテルルリック線を用いた波長補正の精緻化も可能であり、内在的線がフィッティングから除外された場合に有効である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理ベースの大気モデルを用いたアプローチが、専用のテルルリック標準星観測と同等の補正精度を達成できるか。
• RQ2 標準的大気モデルと比較して、リアルタイム気象データがテルルリック吸収補正の精度をどの程度向上させるか。
• RQ3 Molecfit は、スペクトル分解能や波長カバレッジが異なる ESO 機器の幅広い範囲でどの程度の性能を示すか。
• RQ4 テルルリック標準星が観測されていない場合でも、Molecfit が科学的ターゲットデータと大気モデルを用いて信頼性高くスペクトルを補正できるか。
• RQ5 飽和テルルリック線や、内在的スペクトル特徴と重複するテルルリック吸収に対して、この手法の限界は何か。

主な発見

• Molecfit は、不飽和テルルリック線の補正後に、連続スペクトルの2%未満の残差標準偏差を達成し、高い精度を示した。
• 特に高空域や湿度変動が激しい条件下でも、従来のテルルリック標準星法を上回るか、同等の精度を達成した。
• X-shooter、VIMOS、KMOS、MUSE、CRIRES のデータに対して、残留誤差は常に2%未満であり、MUSE では0.4%にまで低下したケースも存在した。
• Molecfit は、R ≈ 1000（X-shooter）から R ≈ 30,000（CRIRES）までのスペクトル分解能を持つ機器に対しても正確に補正でき、広範な適用性を示した。
• 科学的ターゲットスペクトルに不飽和テルルリック線が十分に含まれていれば、テルルリック標準星が観測されていなくても、正確な補正が可能である。
• 飽和テルルリック線（τ ≳ 2）は依然として問題であり、その形状は装置の分解能に支配されるため、どの手法を用いても信頼性を持って補正できない。