[論文レビュー] Potential of Radiotelescopes for Atmospheric Line Observations: I. Observation Principles and Transmission Curves for Selected Sites

N. Schneider, J. Urban+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2009

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 79被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ミリメートル波およびサブミリメートル波帯域における大気線観測のための既存および計画中の電波望遠鏡の可能性を評価する。MOLIERE放射移動モデルを用いて、DOME-C、ALMA、マウナケア、KOSMAといった主要な観測地点のための大気透過率曲線を計算し、DOME-Cのような高高度・乾燥地域が10 THzまで優れた透過性を示すことを示している。これにより、遠赤外帯窓を介した大気および天体観測が可能となる。

ABSTRACT

Existing and planned radiotelescopes working in the millimetre (mm) and sub-millimetre wavelengths range provide the possibility to be used for atmospheric line observations. To scrutinize this potential, we outline the differences and similarities in technical equipment and observing techniques between ground-based aeronomy mm-wave radiometers and radiotelescopes. Comprehensive tables summarizing the technical characteristics of existing and future (sub)-mm radiotelescopes are given. The advantages and disadvantages using radiotelescopes for atmospheric line observations are discussed. In view of the importance of exploring the sub-mm and far-infrared wavelengths range for astronomical observations and atmospheric sciences, we present model calculations of the atmospheric transmission for selected telescope sites (DOME-C/Antarctica, ALMA/Chajnantor, JCMT and CSO on Mauna Kea/Hawaii, KOSMA/Swiss Alpes) for frequencies between 0 and 2000 GHz (150 micron) and typical atmospheric conditions using the forward model MOLIERE (version~5). For the DOME-C site, the transmission over a larger range of up to 10 THz (30 micron) is calculated in order to demonstrate the quality of an earth-bound site for mid-IR observations. All results are available on a dedicated webpage (http://transmissioncurves.free.fr)

研究の動機と目的

• 電波望遠鏡を主たる天体観測目的以外の目的として、大気線観測に使用する可能性を評価すること。
• 地上のミリ波帯電波計と電波望遠鏡との間の技術的特徴および観測技術を比較すること。
• 0〜2000 GHz（DOME-Cでは10 THzまで）の周波数範囲における、選定された高高度地点での大気透過率を評価すること。
• 大気および天文学コミュニティのための、望遠鏡仕様および透過率データの包括的リファレンスを提供すること。
• 極度の乾燥と高高度に起因するDOME-Cの遠赤外およびサブミリメートル波帯観測への適性を示すこと。

提案手法

• 典型的な大気状態を想定し、MOLIERE（バージョン5）放射移動モデルを用いて大気透過率をモデル化する。
• DOME-C（南極）、ALMA（チャアンタニョール）、JCMTおよびCSO（マウナケア）、KOSMA（スイスアルプス）といった選定された地点の透過率曲線を計算する。
• DOME-Cにおける透過率モデルの延長を10 THz（30 μm）まで行い、中赤外帯窓の有効性を評価する。
• 望遠鏡口径、位置、高度、機器を含む、電波望遠鏡技術的仕様の包括的表を作成する。
• 公開アクセス可能な専用ウェブサイト（http://transmissioncurves.free.fr）を通じて、グラフィカルおよびASCII形式のデータ出力を提供する。
• 複数の地点における透過率性能を比較し、サブミリメートルおよび遠赤外帯における大気および天体観測に最適な場所を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの電波望遠鏡が、ミリ波およびサブミリ波帯域における大気線観測に技術的に適しているか？
• RQ2 0.2 mmの降水量水蒸気量（pwv）条件下で、主な高高度地点における周波数2 THz（DOME-Cでは10 THz）までの大気透過率はどのように変化するか？
• RQ3 南極のDOME-Cは、遠赤外およびサブミリメートル波帯の大気および天体観測にどの程度の可能性を有しているか？
• RQ4 大気研究のための専用ミリ波帯電波計と比較して、電波望遠鏡の技術的特徴はどのように異なるか？
• RQ5 極めて乾燥した条件下（pwv = 0.2 mm）におけるDOME-Cでは、中赤外帯（30–50 μm）にどの程度のスペクトル窓が開くか？

主な発見

• 南極のDOME-Cは、極めて優れた大気透過性を示し、0.2 mmの降水量水蒸気量（pwv）条件下で30〜50 μmの透過窓が開く。これにより、遠赤外帯観測が可能となる。
• DOME-Cでは、モデル計算により10 THz（30 μm）まで透過率が達成され、中赤外帯の大気および天体的特徴の観測に適していることが示された。
• ALMA、マウナケア、KOSMAの地点における透過率曲線は、特に低pwv条件下でサブミリメートルおよび遠赤外帯に強い大気窓を示している。
• 多くの既存および計画中の電波望遠鏡、特に高高度・乾燥地域に設置されたもの—特にその感度と周波数カバー範囲のおかげ—は、大気線観測に強い可能性を有している。
• MOLIERE-5モデルは、複数の地点における透過スペクトルを正確に再現できており、今後の大気および天体観測計画に活用可能な妥当性が裏付けられた。
• 本研究は、http://transmissioncurves.free.fr を通じて、透過率曲線および望遠鏡仕様の公開データベースを提供しており、今後の観測計画を支援する。