[論文レビュー] The Diffuse Ultraviolet and Optical Background: Status and Future Prospects

Jayant Murthy, M S Akshaya+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2019

Photocathodes and Microchannel Plates被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、大気放射、黄道光、銀河間宇宙ほどの散乱（DGL）、分子水素の蛍光、および銀河間背景光（EBL）を含む、拡散紫外線および可視光背景の主要な構成要素を特定する。観測が地球の大気圏を越えて、太陽系の縁に近いミッションによって行われることが、天体物理的信号を分離し、EBLの高精度マッピングを達成するために不可欠であると強調している。今後のミッションにより、紫外線から赤外線にわたり、決定的な測定が可能になる可能性がある。

ABSTRACT

The ultraviolet and optical background forms a baseline for any observation of the sky. It includes emission lines and scattered light from the atmosphere; resonant scattering from the Lyman lines of interplanetary hydrogen and the scattering of sunlight from Solar System dust (zodiacal light); scattering of starlight from interstellar dust (DGL) with emission from molecular hydrogen fluorescence or from line emission in selected areas; and an extragalactic component seen most easily at high Galactic latitudes. We will discuss the different components of the diffuse radiation field in the UV and the optical. We close with a hope that there will be new observations from missions near the edge of the Solar System.

研究の動機と目的

• すべてのスペクトル成分にわたる、拡散紫外線および可視光背景に関する現在の理解を統合すること。
• 大気放射、黄道光、DGL、分子水素の蛍光、および銀河間背景光（EBL）を含む、拡散天の明るさの主な寄与要因を特定すること。
• 地球表面および近地球軌道での観測の限界を強調し、惑星間および大気放射による強い前触れの混入の影響を指摘すること。
• 明確な天体物理的背景の測定を達成するため、内太陽系を越えた今後の宇宙ミッションを提唱すること。
• 特に高銀緯度および紫外線領域において、EBLの残存する不確実性を解消するための今後の観測のロードマップを提示すること。

提案手法

• サブロケット、宇宙船（例：Pioneer 10/11、Voyager）、および地球基盤の機器からの観測データを体系的にレビューし、拡散天の成分を特徴付けること。
• 検出器感度に基づくスレーブバンドの使用：FUV（912–1200 Å、1250–1800 Å）、NUV（1600–3000 Å）、および可視光（3000–10,000 Å）；特に光子ノイズが支配的となる紫外線領域に重点を置く。
• 紫外線背景の明るさと銀河間H I吸収層の密度、および100 µm表面輝度との相関を分析し、N(H) ≈ 10^21 cm⁻²で飽和することを示す。
• Leinert et al. (1998)、Hamden et al. (2013)、Zemcov et al. (2017, 2018) のデータを用いて、拡散背景をモデル化し、残存する前触れを評価すること。
• 惑星間放射（例：Lyα散乱、黄道光）のモデル化と、それらが10 AUを越えて急激に減少することの分析により、よりクリアな天体物理的測定が可能になること。
• 月面ランダーおよびインターステラープローブに搭載可能な小型紫外線機器の可能性を評価し、高いダイナミックレンジおよび空間分解能を達成できるかを検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全天にわたる拡散紫外線および可視光背景の主な物理的構成要素は何であるか？
• RQ2 特にLyαおよび黄道光からの惑星間放射が、地球および近地球軌道での銀河間背景光（EBL）測定の正確性をどの程度制限しているか？
• RQ3 拡散銀河光（DGL）は、銀河間H I吸収層密度およびダスト放射（例：100 µm輝度）とどの程度相関しており、その相関はどこで飽和するか？
• RQ4 地上観測および近地球観測では紫外線背景測定にゼロオフセットが見られるが、Voyagerなどの深宇宙データにはそのようなオフセットがないのはなぜか？
• RQ5 10 AUを超えた深宇宙での小型ミッションが、前触れの混入を最小限に抑えて拡散背景をマッピングする可能性はどの程度か？

主な発見

• 拡散紫外線背景は、主にLyα放射およびO I線（1304/1356 Å）によって支配されており、FUV帯域では他の源からの寄与は最小限である。
• 特にLyα散乱による惑星間放射はFUV帯域にわたり広がり、地球周辺の観測を著しく汚染するため、外部の観測ポイントが不可欠である。
• 拡散銀河光（DGL）は、H I吸収層密度および100 µm表面輝度と強く相関しており、N(H) ≈ 10^21 cm⁻²で飽和点に達する。それ以降は散乱が光学的に厚くなる。
• 高銀緯度における銀河間背景光（EBL）は、紫外線領域で200–400 photon unitsで測定されており、その約半分が既知の統合銀河光（IGL）に起因する。残りの部分は未解明のままである。
• 可視光背景測定は、前触れの黄道光によって著しく制限されており、EBLの最も信頼できる制約（200–300 photon units）は、太陽系の縁に近い宇宙船からのデータに由来する。
• 惑星間放射は10 AUを越えて急激に減少し、深宇宙ミッションが真の天体物理的背景を分離するのに最適であり、紫外線から赤外線にわたりEBLの高精度マッピングを可能にする。