[论文解读] IAU 2015 Resolution B3 on Recommended Nominal Conversion Constants for Selected Solar and Planetary Properties

Eric E. Mamajek, A. Prša+20 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2015

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 49

一句话总结

IAU 2015年决议B3确立了一套标准化的太阳和行星属性名义转换常数——如太阳半径、光度、总太阳辐照度和质量参数——这些常数被定义为SI单位下的精确值，以消除天文学研究中的系统性差异。这些常数作为方程和模型中的精确、一致的转换因子，确保在不同出版物中保持统一，尽管同一物理量的实测值各不相同。

ABSTRACT

Astronomers commonly quote the properties of celestial objects in units of parameters for the Sun, Jupiter, or the Earth. The resolution presented here was proposed by the IAU Inter-Division Working Group on Nominal Units for Stellar and Planetary Astronomy and passed by the XXIXth IAU General Assembly in Honolulu. IAU 2015 Resolution B3 adopts a set of nominal solar, terrestrial, and jovian conversion constants for stellar and (exo)planetary astronomy which are defined to be exact SI values. While the nominal constants are based on current best estimates (CBEs; which have uncertainties, are not secularly constant, and are updated regularly using new observations), they should be interpreted as standard values and not as CBEs. IAU 2015 Resolution B3 adopts five solar conversion constants (nominal solar radius, nominal total solar irradiance, nominal solar luminosity, nominal solar effective temperature, and nominal solar mass parameter) and six planetary conversion constants (nominal terrestrial equatorial radius, nominal terrestrial polar radius, nominal jovian equatorial radius, nominal jovian polar radius, nominal terrestrial mass parameter, and nominal jovian mass parameter).

研究动机与目标

• 解决由于太阳和行星参考值使用不一致而引起的恒星和行星研究中的系统性差异。
• 应对光谱、测光和干涉观测数据日益提高的精度，这些数据暴露了因参考值变化而产生的误差。
• 使用SI单位下的精确名义值，对太阳和行星属性的转换因子进行标准化。
• 提高在科学出版物中表达质量、半径、光度和辐照度的一致性。
• 通过将名义常数与带不确定度的实测值解耦，减少在报告系外行星和恒星参数时的模糊性。

提出的方法

• 将名义值 $\mathcal{R}^\mathrm{N}_{\odot}$, $\mathcal{L}^\mathrm{N}_{\odot}$, $\mathcal{S}^\mathrm{N}_{\odot}$, $\mathcal{T}^\mathrm{N}_{\mathrm{eff}\odot}$ 和 $\mathcal{(GM)}^\mathrm{N}_{\odot}$ 定义为精确的SI单位，其来源为当前最佳估计值。
• 采用地球和木星的赤道与极半径（$\mathcal{R}^\mathrm{N}_{e\rm E}$, $\mathcal{R}^\mathrm{N}_{p\rm E}$, $\mathcal{R}^\mathrm{N}_{e\rm J}$, $\mathcal{R}^\mathrm{N}_{p\rm J}$）以及质量参数（$\mathcal{(GM)}^\mathrm{N}_{\rm E}$, $\mathcal{(GM)}^\mathrm{N}_{\rm J}$）作为精确的转换因子。
• 确保名义值的精度足以与TCB和TDB时标准保持一致，避免时间依赖性不一致。
• 建议仅在表示带不确定度的实测值时使用 $L_\odot$ 和 $R_\odot$ 等符号，而将 $\mathcal{L}^\mathrm{N}_{\odot}$ 和 $\mathcal{R}^\mathrm{N}_{\odot}$ 保留用于名义常数。
• 提供名义体积的显式公式：$V_\mathrm{E}^\mathrm{N} = \frac{4\pi}{3} \mathcal{R}^\mathrm{N}_{e\rm E}^2 \mathcal{R}^\mathrm{N}_{p\rm E}$，木星同理。
• 规定SI质量应通过 $M = (GM)/G$ 推导得出，其中 $G$ 明确引用（例如，CODATA 2014值）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用可变的太阳和行星参考值时，如何最小化恒星和行星参数推导中的系统性误差？
• RQ2 哪些太阳和行星属性的名义值可确保在高精度天体物理学和系外行星研究中的一致性？
• RQ3 如何在科学文献中清晰区分带不确定度的实测值与名义转换常数？
• RQ4 名义常数需要达到何种精度，才能避免TCB与TDB时标不一致的问题？
• RQ5 标准化的精确转换因子如何提升整个天文学界在建模和数据分析中的可重复性？

主要发现

• 名义太阳半径 $\mathcal{R}^\mathrm{N}_{\odot}$ 定义为 $6.957 \times 10^8$ m，基于 $\tau_{\rm Ross} = 2/3$ 处的光球层半径，与近期的地震学和测光测量结果一致。
• 名义总太阳辐照度 $\mathcal{S}^\mathrm{N}_{\odot}$ 设定为 $1361$ W m$^{-2}$，反映了现代空间仪器（如TIM/SORCE和PREMOS/PICARD）的共识结果。
• 名义太阳光度 $\mathcal{L}^\mathrm{N}_{\odot}$ 为 $3.828 \times 10^{26}$ W，由IAU 2012年定义的天文单位和TSI值推导得出。
• 名义太阳有效温度 $\mathcal{T}^\mathrm{N}_{\rm eff\odot}$ 为 $5772$ K，基于最佳估计光度、半径和斯特藩-玻尔兹曼常数计算得出。
• 名义地球赤道半径 $\mathcal{R}^\mathrm{N}_{e\rm E}$ 为 $6.3781 \times 10^6$ m，依据IERS 2003和2010年规范。
• 名义木星赤道半径 $\mathcal{R}^\mathrm{N}_{e\rm J}$ 为 $7.1492 \times 10^7$ m，采纳自IAU大地测量坐标与自转要素工作组（2009年）的成果。