[論文レビュー] The solar gravitational redshift from HARPS-LFC Moon spectra. A test of the General Theory of Relativity

J. I. Gónzalez Hernández, R. Rébolo+16 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 46被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、月の高分解能HARPS-LFCスペクトルを用いて、太陽の重力赤方偏移（GRS）を、これまでにない精度で測定した。97本の弱いFe線から、638 ± 6 m s⁻¹の結果が得られた。この結果は、一般相対性理論の予測値633.1 m s⁻¹と非常に良好に一致しており、理論の妥当性を裏付け、レーザー周波数コンブ補正と3次元太陽大気モデル化が天体分光法の発展に果たす役割を浮き彫りにした。

ABSTRACT

The General Theory of Relativity predicts the redshift of spectral lines in the solar photosphere, as a consequence of the gravitational potential of the Sun. This effect can be measured from a solar disk-integrated flux spectrum of the Sun's reflected light on solar system bodies. The laser frequency comb (LFC) calibration system attached to the HARPS spectrograph offers the possibility to perform an accurate measurement of the solar gravitational redshift (GRS) by observing the Moon or other solar system bodies. We have analysed the line shift observed in Fe absorption lines from five high-quality HARPS-LFC spectra of the Moon. We select an initial sample of 326 photospheric Fe lines in the spectral range 476-585 nm and measure their line positions and equivalent widths (EWs). Accurate line shifts are derived from the wavelength position of the core of the lines compared with the laboratory wavelengths. We fit the observed spectral Fe lines using CO$^5$BOLD 3D synthetic profiles. Convective motions in the solar photosphere do not affect the line cores of Fe lines stronger than about $\sim 150$ mA. In our sample, only 15 FeI lines have EWs in the range $150

研究の動機と目的

• 月の反射太陽光を用いて、太陽の重力赤方偏移を測定することで、一般相対性理論の検証を目的とする。
• 高精度分光法を用いて、太陽光球線における重力赤方偏移と対流ブルーシフトのデゲネラシーを克服することを目的とする。
• 観測スペクトルと合成ラインプロファイルを比較することで、3次元流体力学的太陽大気モデルの精度を評価することを目的とする。
• 実験室波長の不確実性が太陽のGRS測定に与える影響を評価し、より良い原子データの必要性を特定することを目的とする。

提案手法

• 欧州南天天文台の3.6 m望遠鏡を用いて、月の高S/N HARPS-LFCスペクトルを5本取得した。
• レーザー周波数コンブ（LFC）を用いて分光計を補正し、1 m s⁻¹未満の波長安定性を達成した。
• 476–585 nmの範囲にのる326本のFe i線を選定し、実験室波長に対するラインコア位置を測定した。
• CO 5 BOLD 3次元流体力学的太陽大気モデルを用いて、約200本のFe線の合成ラインプロファイルを計算した。
• 弱いFe線（EW < 180 mÅ）を3次元合成プロファイルでフィッティングし、全ラインシフトを導出した。
• 外れ値を除去するためのσクリッピングを適用し、複数のスペクトルからの平均ラインシフトと不確実性を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 月の反射太陽光とLFC補正分光法を用いて、太陽の重力赤方偏移を10 m s⁻¹未満の精度で測定できるか？
• RQ2 太陽光球における対流運動が、異なる等価幅を示すFe i線のラインコア位置に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 3次元流体力学的太陽大気モデルは、Fe i線の観測されたラインシフトとプロファイルをどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 実験室波長の不確実性が導かれる太陽のGRSに与える影響は何か？また、再補正されたNIST波長は結果にどのように影響するか？
• RQ5 LFC補正分光法と3次元モデリングの組み合わせは、太陽の重力赤方偏移を介した一般相対性理論の強力な検証を可能にするか？

主な発見

• 97本の弱いFe線（10 < EW < 180 mÅ）から、太陽の重力赤方偏移を638 ± 6 m s⁻¹として測定した。この値は理論的予測値633.1 m s⁻¹と非常に良好に一致した。
• 15本の強いFe線（150 < EW < 550 mÅ）から得られた測定値639 ± 14 m s⁻¹も、予測されるGRSと一貫しており、さらに確認を示した。
• 太陽光球における対流運動は、約150 mÅ以上の強度を示すFe線のラインコアに顕著な影響を及ぼさないことが示され、このような線をGRS測定に用いることが妥当であることを裏付けた。
• 3次元合成プロファイルは、弱い線（EW < 60 mÅ）に対しては観測されたラインシフトを合理的に再現したが、σクリッピング前の平均値周りに約73 m s⁻¹の分散を示した。
• 5つの外れ値をσクリッピングで除去した後、ラインシフト測定の分散は55 m s⁻¹に低下し、平均シフトの精度が向上した。
• 再補正されたNIST実験室波長は、元のNave et al. (1994)値と比較して+20 m s⁻¹のシフトをもたらした。Ritz波長は+35 m s⁻¹のシフトを示し、不確実性も大きかったため、より良い原子データの必要性が示された。