[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究利用月球的高分辨率HARPS-LFC光谱，以前所未有的精度测量了太阳引力红移（GRS），从97条弱Fe线中得出结果为638 ± 6 m s⁻¹。该结果与广义相对论预测的633.1 m s⁻¹高度一致，验证了该理论，并凸显了激光频率梳校准和三维太阳大气建模在推进天体光谱学中的作用。

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

研究动机与目标

• 通过利用月球反射的阳光测量太阳引力红移，检验广义相对论。
• 通过高精度光谱学克服太阳光球线中引力红移与对流蓝移之间的退化问题。
• 通过将合成线轮廓与实测光谱比较，评估三维流体动力学太阳大气模型的准确性。
• 评估实验室波长不确定度对太阳GRS测量的影响，并识别出对改进原子数据的需求。

提出的方法

• 使用欧洲南方天文台（ESO）3.6米望远镜在拉西拉天文台获取了五组信噪比（S/N）高的HARPS-LFC月球光谱。
• 利用激光频率梳（LFC）对光谱仪进行校准，实现亚米每秒的波长稳定性。
• 在476–585 nm波段内选取了326条Fe i线，并测量其线心位置相对于实验室波长的偏移。
• 使用CO 5 BOLD三维流体动力学太阳大气模型，为约200条Fe线的子样本计算合成线轮廓。
• 对观测到的弱Fe线（等效宽度EW < 180 mÅ）使用3D合成轮廓进行拟合，以推导全局线位移。
• 通过σ裁剪法去除异常值，并从多组光谱中计算平均线位移及其不确定度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用月球反射阳光和LFC校准的光谱学技术，以亚10 m s⁻¹的精度测量太阳引力红移？
• RQ2 太阳光球层中的对流运动在多大程度上影响不同等效宽度Fe i线的线心位置？
• RQ3 三维流体动力学太阳大气模型在多大程度上能准确再现Fe i线的观测线位移和轮廓？
• RQ4 实验室波长不确定度对推导出的太阳GRS有何影响？重新校准的NIST波长如何改变结果？
• RQ5 LFC校准光谱学与三维建模的结合能否为广义相对论提供基于太阳引力红移的稳健检验？

主要发现

• 从97条弱Fe线（10 < EW < 180 mÅ）中测得太阳引力红移为638 ± 6 m s⁻¹，与理论值633.1 m s⁻¹高度一致。
• 从15条强Fe线（150 < EW < 550 mÅ）测得639 ± 14 m s⁻¹的结果，进一步证实与预测GRS的一致性。
• 太阳光球层中的对流运动对等效宽度超过约150 mÅ的Fe线线心位置无显著影响，支持使用此类线进行GRS测量。
• 3D合成轮廓能合理再现观测到的线位移，尤其在弱线（EW < 60 mÅ）中表现良好，但在σ裁剪前其线位移分布的离散度约为73 m s⁻¹。
• 通过σ裁剪法去除五个异常值后，线位移测量的离散度降低至55 m s⁻¹，提升了平均位移的精度。
• 与原始Nave et al. (1994)值相比，重新校准的NIST实验室波长使结果向正方向偏移+20 m s⁻¹；而Ritz波长则引入了+35 m s⁻¹的偏移且不确定性更大，表明亟需改进原子数据。