[论文解读] 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 3

一句话总结

本文介绍了在里约热内卢国家天文台运行的一种新型反射式太阳高度计的观测结果，该仪器采用无像差的双反射面抛物面系统，实现了0.01角秒精度的太阳直径测量。研究证明，此前1974–2009年间无法兼容的太阳天球仪数据，可通过识别玻璃滤光片非平行性作为系统误差来源而得以统一，从而建立40年连续的地面太阳直径观测记录。

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.

研究动机与目标

• 建立一种高精度、地面部署的仪器，用于长期监测太阳直径。
• 解决1974–2009年间历史太阳天球仪测量中长期困扰科学界的不一致性问题。
• 通过校准滤光片非平行性等仪器效应，验证地面太阳直径测量的可靠性。
• 利用稳定、可靠的地面太阳高度计，弥合卫星观测与历史天球仪数据系列之间的差距。
• 通过确保仪器稳定性与原位校准能力，实现长期太阳直径监测。

提出的方法

• 该太阳高度计使用10 cm抛物面镜的两半，经分割并倾斜以形成太阳高度角，实现无色差的太阳直径直接测量。
• 通过一根116 m长的测量杆及两个金属球作为人工恒星，验证仪器稳定性，实现0.03像素（1/1000）的尺度稳定性。
• 利用两个滤光片（玻璃密度5，聚酯薄膜密度4.5）对光学滤光系统进行校准，以隔离520–630 nm波段，与早期天球仪测量保持一致。
• 每组测量包含10个系列，每个系列50张图像，系列间望远镜轴旋转12°，以最小化大气影响。
• 数据经地球轨道偏心率归一化，以消除季节性变化，揭示太阳直径的本征变化。
• 应用统计滤波（21点滑动平均）以抑制短期大气湍流效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 R2S3网络及早期天球仪网络中不同太阳天球仪观测到的太阳直径测量值之间存在差异的原因是什么？
• RQ2 光学滤光片中玻璃表面的非平行性在多大程度上会引入太阳直径测量的系统性误差？
• RQ3 在真实大气条件下，地面太阳高度计能否实现亚角秒精度（0.01角秒）的太阳直径测量？
• RQ4 在长时序尺度上，地面太阳高度计测量结果与卫星观测及历史天球仪数据的相关性如何？
• RQ5 通过识别并校正仪器滤光片效应，能否实现对40年太阳直径测量历史记录（1974–2013年）的重新处理与统一？

主要发现

• 太阳高度计在太阳直径测量中实现了0.01角秒的测量精度，适用于长期监测。
• 利用人工恒星在116 m基线上验证，太阳高度角的稳定性达到0.03像素（1/1000）以内。
• 发现玻璃滤光片的非平行性是导致天球仪测量值系统性差异的主要原因，其在方位角方向上的变化可达±1角秒。
• 该仪器效应可完全解释此前无法解释的R2S3网络及早期天球仪网络中不同天文台之间太阳直径测量值的差异。
• 该发现使得对1974–2013年共40年的太阳直径数据进行重新处理与统一成为可能，为长期天体物理分析提供了基础。
• 观测到太阳直径的短期变化与后续7天的地磁风暴之间存在正相关性，提示可能存在大气或太阳-地球耦合效应。