[論文レビュー] Scattering of light by plasma in the solar system

Slava G. Turyshev, Viktor T. Toth|arXiv (Cornell University)|May 1, 2018

Scientific Research and Discoveries参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、太陽コロナの自由電子プラズマにおける電磁波散乱を波動光学的Mie理論を用いて開発し、エイコナール近似とデュイー潜在関数を用いて位相シフトと光線の屈曲をモデル化する。この手法は、プラズマに起因する波面歪みを定量的に予測でき、大口径および長基線の天文学的計測機器における高精度応用を可能にする。

ABSTRACT

We study the propagation of electromagnetic (EM) waves in the solar system and develop a Mie theory that accounts for the refractive properties of the free electron plasma in the extended solar corona. We use a generic model for the electron number density distribution and apply the eikonal approximation to find a solution in terms of Debye potentials, which is then used to determine the EM field both within the inner solar system as well as at large heliocentric distances. As expected, the solution for the EM wave propagating through the solar system is characterized by a plasma-induced phase shift and related change in the light ray's direction of propagation. Our approach quantitatively accounts for these effects providing a wave-optical treatment of scattering in the solar plasma. As such, it may be used in a number of practical applications involving big apertures, large interferometric baselines or otherwise widely distributed high-precision astronomical instruments.

研究の動機と目的

• 太陽コロナのプラズマ中を通過する電磁波の伝搬を波動光学的アプローチでモデル化すること。
• 太陽系内および大衛黄経距離におけるプラズマに起因する位相シフトと光線の屈曲を考慮すること。
• 大口径または長基線干渉計の高精度計測機器に適用可能な理論的枠組みを構築すること。
• 太陽系内プラズマにおける散乱効果をデュイー潜在関数とエイコナール近似を用いて定量的に取り扱うこと。

提案手法

• 太陽コロナ内の電子数密度分布の一般化されたモデルを入力として採用する。
• プラズマの屈折特性を考慮した状態での波動方程式を解くためにエイコナール近似を適用する。
• 近場および遠方領域における電磁界解をデュイー潜在関数を用いて表現する。
• プラズマの屈折に起因する位相シフトおよび光線の進行方向の変化を解に組み込む。
• 非一様プラズマ環境における散乱をモデル化するために波動光学的原則を統合する。
• 長基線を有する高精度天文学的システムへの適用可能性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽コロナのプラズマは、電磁波の位相と軌道にどのように影響を与えるか？
• RQ2 非一様なコロナプラズマにおける散乱を正確にモデル化する波動光学的枠組みは何か？
• RQ3 デュイー潜在関数とエイコナール近似は、太陽系内プラズマ中を通過する電磁波の伝搬をどのように記述するか？
• RQ4 プラズマに起因する位相シフトは、高精度天文学的測定にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 このモデルは、宇宙空間における大口径または長基線干渉計システムに応用可能か？

主な発見

• このモデルは、太陽コロナ中を通過する電磁波に生じるプラズマに起因する位相シフトを成功裏に予測した。
• プラズマ内の屈折率勾配に起因して光線の進行方向が屈曲し、波動光学的期待と整合的である。
• エイコナール近似とデュイー潜在関数を用いて導出した解は、太陽系内および大衛黄経距離においても電磁界を正確に記述している。
• この手法は、幾何光学を越えた定量的波動光学的散乱処理を提供する。
• この枠組みは、宇宙天文台における大口径または長基線干渉計応用に適している。