[論文レビュー] PEPSI deep spectra. I. The Sun-as-a-star

K. G. Strassmeier, I. Ilyin+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、大型二重望遠鏡に設置された太陽ディスク統合（SDI）望遠鏡によって駆動されるPEPSI分光計を用いて、太陽を星として観測した高分解能・深スペクトル観測を提示する。270,000の分光分解能、383〜914 nmの連続的波長カバー範囲、8,000:1に達する信号対雑音比を備え、強度精度が1%未満、径速度精度が10 m s⁻¹（rms）に達し、太陽リチウム分光学的含有量が1.09 ± 0.04 dexに精緻に再評価され、5.5分周期で47 cm s⁻¹の振幅を示すディスク平均のpモード振動が検出された。

ABSTRACT

As part of the first Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) key-science project, we aim to provide well-exposed (viz. deep) high-resolution spectra of representative stellar targets. These spectra will be made available in form of (electronic) atlases. The first star in this series of papers is our Sun. It also acts as a system-performance cornerstone. The deep spectra in this paper are the results of combining up to 100 consecutive exposures per wavelength setting and are compared with other solar flux atlases. Our software for the optimal data extraction and reduction of PEPSI spectra is described and verified with the solar data. Three deep solar flux spectra with a spectral resolution of up to 270,000, a continuous wavelength coverage from 383 nm to 914 nm, and a photon signal to noise ratio (S/N) of between 2,000-8,000:1 depending on wavelength are presented. Additionally, a time-series of 996 high-cadence spectra in one cross disperser is used to search for intrinsic solar modulations. The wavelength calibration based on Th-Ar exposures and simultaneous Fabry-Perot combs enables an absolute wavelength solution within 10 m/s (rms) with respect to the HARPS laser-comb solar atlas and a relative rms of 1.2 m/s for one day. For science demonstration, we redetermined the disk-average solar Li abundance to 1.09+/-0.04 dex on the basis of 3D NLTE model atmospheres. We detected disk-averaged p-mode RV oscillations with a full amplitude of 47 cm/s at 5.5 min. Comparisons with two solar FTS atlases, as well as with the HARPS solar atlas, validate the PEPSI data product. Now, PEPSI/SDI solar-flux spectra are being taken with a sampling of one deep spectrum per day, and are supposed to continue a full magnetic cycle of the Sun.

研究の動機と目的

• 太陽を星として観測する高忠実度の深スペクトルリファレンスをPEPSI分光計を用いて作成すること。
• 太陽をベンチマークとして用いることで、PEPSIの星間分光計測における性能を検証すること。
• 高精度の太陽データを活用し、将来的な星間活動、元素含有量分析、径速度変動に関する研究を可能にすること。
• 1つの磁気周期にわたる太陽変動の長期モニタリングベースラインを確立すること。
• 星間コミュニティの皆が利用可能な、高品質な太陽スペクトルアトラスを提供すること。

提案手法

• データは、大型二重望遠鏡に設置されたロボット制御の太陽ディスク統合（SDI）望遠鏡によって駆動されるPEPSI分光計を用いて収集された。
• 1波長設定あたり最大約100枚の個別露光を合成して、深スペクトルで高信号対雑音比のスペクトルを生成した。
• ルビーサンプルと同時に取得されたランダム・フォトニック・コンブを用いたTh-Ar露光を用いた波長校正により、絶対的な精度が10 m s⁻¹（rms）に達し、相対的安定性は1日あたり1.2 m s⁻¹であった。
• 連続スペクトルの正規化とフラックスキャリブレーションは、400 nm以上の波長で1%未満の精度で実施された。
• 92秒間隔の996回の観測時系列データから、太陽振動を検出するための径速度変動を抽出した。
• 3次元非局所熱力学平衡（NLTE）モデル大気と、V混合と強化されたCN強度を含む洗練されたラインリストを用いて、太陽リチウム含有量を再評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽を星として観測する際、PEPSI分光計が達成可能な径速度精度はどの程度か？
• RQ2 3次元NLTEモデル大気を用いることで、PEPSIは太陽リチウム含有量をどの程度正確に測定できるか？
• RQ3 PEPSIが測定した太陽のディスク統合pモード振動の振幅と周期はそれぞれどの程度か？
• RQ4 PEPSIの深スペクトルのフラックスキャリブレーションと信号対雑音比は、既存の太陽アトラスと比較してどの程度か？
• RQ5 PEPSIのデータは、太陽の光球に⁶Liが存在しないことをどの程度支持するか？

主な発見

• PEPSIの深スペクトルでは、赤色領域で最大8,000:1、Ca II H&Kラインコア部で600:1の信号対雑音比を達成した。
• HARPSレーザーコンブ太陽アトラスとの比較において、波長解は10 m s⁻¹（rms）以内の精度で、1日あたり1.2 m s⁻¹の相対的安定性を示した。
• ディスク平均の太陽pモード振動の径速度振幅は、5.5分周期で47 cm s⁻¹に測定された。
• 3次元NLTEモデルを用いて再評価した太陽リチウム含有量は1.09 ± 0.04 dexであり、従来の文献値と整合的であった。
• ⁶Li/⁷Li同位体比はゼロに一致しており、光球に検出可能な⁶Liが存在しないことが示され、核反応による破壊プロセスの予想と一致した。
• 深スペクトルは他の太陽アトラスと比較して1%未満の強度一致を示し、高いデータ信頼性を確認した。