[论文解读] Scattering of light by plasma in the solar system

Slava G. Turyshev, Viktor T. Toth|arXiv (Cornell University)|May 1, 2018

Scientific Research and Discoveries参考文献 17被引用 3

一句话总结

本文针对太阳日冕自由电子等离子体中的电磁波散射，发展了一套基于几何光学近似和德拜势的波动光学米氏理论，用于建模相位延迟与光路偏折。该方法可定量预测由电浆引起的波前畸变，适用于大口径和长基线天文仪器的高精度应用。

ABSTRACT

We study the propagation of electromagnetic (EM) waves in the solar system and develop a Mie theory that accounts for the refractive properties of the free electron plasma in the extended solar corona. We use a generic model for the electron number density distribution and apply the eikonal approximation to find a solution in terms of Debye potentials, which is then used to determine the EM field both within the inner solar system as well as at large heliocentric distances. As expected, the solution for the EM wave propagating through the solar system is characterized by a plasma-induced phase shift and related change in the light ray's direction of propagation. Our approach quantitatively accounts for these effects providing a wave-optical treatment of scattering in the solar plasma. As such, it may be used in a number of practical applications involving big apertures, large interferometric baselines or otherwise widely distributed high-precision astronomical instruments.

研究动机与目标

• 采用波动光学方法，对太阳日冕等离子体中的电磁波传播进行建模。
• 在内太阳系及大日心距离处，考虑等离子体引起的相位延迟与光路偏折效应。
• 为具有大口径或长干涉基线的高精度仪器，建立理论框架。
• 利用德拜势与几何光学近似，对太阳系等离子体中的散射效应进行定量处理。

提出的方法

• 采用太阳日冕中电子数密度分布的通用模型作为输入。
• 应用几何光学近似求解具有等离子体折射特性的波动方程。
• 利用德拜势在近场与远场区域表达电磁场解。
• 解中考虑了由等离子体折射引起的相位延迟与光路方向改变。
• 结合波动光学原理，对非均匀等离子体环境中的散射进行建模。
• 验证该方法在具有长基线的高精度天文系统中的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳日冕中的等离子体如何改变电磁波的相位与传播轨迹？
• RQ2 何种波动光学框架可准确描述非均匀日冕等离子体中的散射行为？
• RQ3 德拜势与几何光学近似如何描述电磁波在太阳系等离子体中的传播？
• RQ4 等离子体引起的相位延迟在多大程度上影响高精度天文测量？
• RQ5 该模型是否可应用于空间中的大口径或长基线干涉测量系统？

主要发现

• 该模型成功预测了电磁波在太阳日冕中传播时由等离子体引起的相位延迟。
• 由于等离子体折射率梯度，光路发生偏折，与波动光学预期一致。
• 通过几何光学近似与德拜势导出的解，能准确描述内太阳系及大日心距离处的电磁场行为。
• 该方法提供了对散射的定量波动光学处理，超越了几何光学范畴。
• 该框架适用于空间天文观测中涉及大口径或长基线干涉的高精度应用。