[论文解读] Night Sky Background Analysis for the Cherenkov Telescope Array using the Atmoscope instrument

M. Gaug|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2013

Astronomical Observations and Instrumentation参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文介绍了在切伦科夫望远镜阵列（CTA）候选站点的9个位置部署的Atmoscope仪器校准网络，用于测量夜天背景，采用PIN二极管和定制的蓝/紫外及V-滤光片，以隔离300–600 nm波段的光。通过建模并减去恒星光、黄道光和空气辉光的贡献，该方法将系统不确定性降低至15%以下，实现了对CTA选址至关重要的夜天背景水平的精确跨站点比较。

ABSTRACT

The site selection group for the future Cherenkov Telescope Array (CTA) has deployed sensitive light sensors at 9 candidate sites, 5 of them in the Southern and 4 in the Northern hemisphere. The sensors are equipped with a PIN diode and a calibrated V-filter, and a blue/UV filter matching the spectral response of the photomultipliers to be employed in the CTA cameras. All sensor installations, denominated "Atmoscopes", have been cross-calibrated before deployment, and their sensitivity is monitored every two to five months. We show that a thoroughly developed model of the integral contribution of starlight to the overall light measure serves as an additional cross-calibration for each device during each night, reducing the systematic uncertainty of this measurement to less than 15%. The starlight can then be subtracted from the measurements, and the residuals compared among the different sites. We show that in most cases a decomposition into the contributions from zodiacal light, airglow and anthropogenic light pollution is possible.

研究动机与目标

• 实现对切伦科夫望远镜阵列（CTA）9个候选站点夜天背景的精确、交叉校准测量。
• 最小化由可变恒星光和大气辐射引起的夜天亮度测量中的系统不确定性。
• 开发一种将总夜天背景分解为恒星光、黄道光、空气辉光和光污染贡献成分的方法。
• 通过提供300–600 nm波段内高精度、长期的测量数据，支持CTA的选址决策，该波段与切伦科夫探测器密切相关。
• 通过使用相同且频繁交叉校准的仪器，确保在多个站点间实现一致且可重复的测量。

提出的方法

• 部署了10台相同的Atmoscope仪器，配备PIN二极管、V-滤光片及定制的蓝/紫外滤光片，用于测量天顶方向的天空亮度。
• 采用50°半功率全角视野镜头，以限制角度接受范围，减少地平线污染。
• 采用基于恒星星等和黑体光谱的恒星光模型，并通过与约翰逊（B−V）相对的(B′−B)颜色转换进行校正。
• 从原始测量中减去建模的恒星光和黄道光贡献，以分离出剩余背景（空气辉光和光污染）。
• 使用各站点的B和V-滤光片的中值大气消光值进行大气消光校正。
• 使用Vega的STIS光谱和定制模型，将星等转换为光子通量，通过∫fν(λ)/λ·R(λ)dλ积分以考虑探测器响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在多个偏远站点之间将夜天背景测量的系统不确定性降低至15%以下？
• RQ2 恒星光贡献在多大程度上可以被准确建模并从原始天空亮度测量中减去？
• RQ3 能否通过校准仪器可靠地从总夜天背景中分解出黄道光和空气辉光组分？
• RQ4 仪器和大气效应（如滤光片漏光和消光）如何影响300–600 nm波段内天空亮度测量的准确性？
• RQ5 统一的、交叉校准的仪器网络能否实现对CTA选址中多样化地理位置的精确、可比测量？

主要发现

• 通过交叉校准和恒星光建模，夜天背景测量的系统不确定性降低至15%以下。
• 基于(B′−B)颜色校正和Vega光谱转换的恒星光模型，在V-滤光片上与文献值的偏差在1%以内，在B-滤光片上为2%以内。
• Atmoscope的蓝/紫外滤光片在700 nm处的漏光为10⁻³，在550 nm处为10⁻²，分析中需采取保守校正。
• 减去恒星光和黄道光后的残差与空气辉光及人为光污染一致，未检测到显著异常。
• 该方法可可靠地将夜天背景分解为不同组分：恒星光（最高占信号的50%）、黄道光、空气辉光和光污染。
• 大气消光与光谱响应函数的整合，使V-滤光片的光子通量估计精度优于1%，B-滤光片优于2%。