[論文レビュー] The Heliometer of Rio de Janeiro in Operation - 2010 to 2013

A. H. Andrei, Costantino Sigismondi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、リオデジャネイロのオブザヴァトリウ・ナシオナルで実施された、光学的収差のない二重ミラー式放物面系を用いた新規反射ヘリオメーターの運用を報告する。この装置は、太陽の直径を0.01秒弧度の精度で測定する。本研究では、1974年から2009年までの過去に不一致とされてきた太陽のアストロラーブ測定データが、ガラスフィルターの非平行性が系統的誤差の原因であると特定されることで統一可能であることを示し、40年間にわたる地上ベースの太陽直径記録を構築した。

ABSTRACT

Out of the three quantities that characterize the state of an isolated gaseous body: pressure, temperature and volume the radius is the only one directly measurable for the Sun, what is specially true in the optical window and for ground base measurements. The Heliometer of Observatorio Nacional, in Rio de Janeiro, measures the distance between two opposite limbs of the Sun in the same field of view, through the reflection on a 10 cm parabolic mirror split on its half and forming an appropriate angle. This configuration is free from optical aberrations and focal variations along the measurement direction. The mirrors are made on CCZ vitro-ceramic and the telescope structure is of carbon steel, resulting that there is no flexion or temperature deformation. The instrument is compact, and can perform hundreds of measurements per duty day, around all heliolatitudes. It attains an accuracy on the solar radius of 0.01 arcsec, becoming the ideal instrument to monitor from the ground the solar diameter, and to bridge satellites and astrolabes historical series of data. We discuss the first years of regular observation, with emphasis on the instrumental calibrations and on the statistic study of the derived time series, attitude series, and solar geometry series. On basis of these series we obtain how well the Heliometer and Solar Astrolabe results are matched.

研究の動機と目的

• 太陽の直径を長期間にわたり高精度でモニタリング可能な地上ベースの装置を確立すること。
• 科学界が長年解けなかった、1974年から2009年までの歴史的アストロラーブ測定データの不一致を解明すること。
• フィルターの非平行性などの機器効果を補正することで、地上ベースの太陽直径測定の信頼性を検証すること。
• 安定した地上ベースのヘリオメーターを用いて、人工衛星データと歴史的アストロラーブデータ系列を統合すること。
• 装置の安定性と現地補正機能を確保することで、長期間にわたる太陽直径モニタリングを可能にすること。

提案手法

• ヘリオメーターは、10 cmの放物面鏡を二つに分割し、角度を付けてヘリオメトリック角を形成する。これにより、色収差を生じさせることなく、太陽の直径を直接測定可能である。
• 装置の安定性は、2つの金属球を人工星として用いた116 mの測量用ロッドを用いて検証され、スケール安定性は0.03ピクセル（1/1000）を達成した。
• 光学フィルター系のキャリブレーションには、520–630 nmの波長帯域を特定する2種類のフィルター（ガラス密度5、ミラール密度4.5）を用い、過去のアストロラーブ測定と整合性を保った。
• 測定は10系列に分けられ、各系列で50枚の画像を撮影し、系列間で望遠鏡軸を12°回転させることで、大気の影響を最小限に抑えた。
• 季節的変動を除去し、太陽直径の本質的変化を明らかにするために、データは地球の公軌道離心率に合わせて正規化された。
• 短時間の大气乱流の影響を抑えるために、統計フィルタ（21点移動平均）が適用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 R2S3ネットワークおよびそれ以前のアストロラーブネットワークにおける異なる太陽アストロラーブ測定間で観測された不一致の原因は何か？
• RQ2 光学フィルター内のガラス表面の非平行性が、太陽直径測定に系統的誤差を引き起こす程度はどの程度か？
• RQ3 実際の大気条件下でも、地上ベースのヘリオメーターが0.01秒弧度未塔の精度で太陽直径測定を達成できるか？
• RQ4 長期間にわたるスケールで、地上ベースのヘリオメーター測定値と人工衛星および歴史的アストロラーブデータとの相関性はどの程度か？
• RQ5 機器的フィルター効果を特定・補正することで、40年間にわたる太陽直径測定記録（1974–2013年）を統合できるか？

主な発見

• ヘリオメーターは太陽の直径測定で0.01秒弧度の精度を達成しており、長期間のモニタリングに適している。
• 116 mの基準基準を用いた人工星を用いた測定により、ヘリオメトリック角の安定性が0.03ピクセル（1/1000）以内であることが確認された。
• ガラスフィルターの非平行性が、アストロラーブ測定間の系統的差異の主な原因であると特定され、方位角に応じて最大±1秒弧度の変動が認められた。
• この機器的要因が、R2S3ネットワークおよびそれ以前のアストロラーブネットワークにおける異なる観測所間の測定値の未解明な不一致を完全に説明できた。
• この発見により、40年間にわたる太陽直径データ（1974–2013年）の再処理と統合が可能となり、長期的な天体物理学的分析が可能になった。
• 短期的な太陽直径変動と7日遅れを伴うその後の磁気ストームとの間に正の相関が観測され、大気的または太陽・地上間の結合効果を示唆した。