大气色散对高分辨率光谱仪性能的影响
管守鑫 Optica西光所分会 2022-06-01 09:00 Posted on 陕西
撰稿人—管守鑫
研究方向—高精度视向速度反演
TITLE
#大气色散对高分辨率光谱仪性能的影响#
NO.1
导读
波尔图大学天文和空间科学研究所的相关团队测试了大气色散对天文观测的总体影响，特别是对 RV 精度下降和通量损失的影响。研究发现在设计高分辨率光谱仪时，ADC 的残差会影响 RV 精度以及通量损失。相关成果以“The impact of atmospheric dispersion in theperformance of high-resolution spectrographs”为题发表在“Monthly Notices of the ROYAL ASTRONOMICAL SOCIETY”上。
NO.2
研究背景
使用地面望远镜进行的天文观测在以不同于零的天顶角进行时，会受到与波长相关的大气色散的影响。大气色散是由于大气折射率随波长的变化。由于天文台通常位于较高的高度，因此应根据温度、压力和相对湿度 (RH) 校正折射率。天空中的大气色散，以毫秒 (mas) 为单位，由下式给出：
其中 λref是参考波长，Z 是观察的天顶角。
对于以亚像素RV精度为目标的高分辨率光谱仪来说，大气色散问题尤为严重。为了探测围绕类太阳恒星运行的类地行星，必须达到大约 10 cm s -1的 RV 精度。为了开发能够达到这种 RV 精度的高分辨率光谱仪，需要解决几个仪器挑战，包括将大气色散变化校正到这种定位精度水平。为了在收集的光谱和 RV 特性方面达到最高的再现性，因此必须使用大气色散校正器(ADC)。
NO.3
研究内容
为了测试大气色散对天文观测的影响，特别是对 RV 的影响，作者基于HARPS 的观测光谱生成了受色散影响的合成光谱。为了缩减这些光谱并计算出RV，使用了HARPS管道（3.4版）。通过通量校正功能产生了两组缩减数据。通量校正功能将根据目标的光谱类型将来自每个光谱的通量与模板进行比较。这些模板是通过对低空气质量的标准星进行非常高的信噪比（SNR）观测而建立的。然后，它将应用一个校正，以便通过乘以观察到的和模板之间的通量比率，将通量扩展到与模板相同的水平。在这种情况下，我们所有的光谱都将具有与模板相同的通量分布，这确保了可变的大气条件不会在互相关函数 (CCF) 计算中引起任何系统影响。如果由于与通量模板不匹配而导致校正过小或过大，通量校正功能将自动关闭。
作者将不同天顶角的光谱，在没有经过ADC校正的情况下模拟的大气色散，用参考值（Z=0°）划分，看是否有任何斜率变化。很明显，从Z=15°开始，斜率变化开始变得更加严重，直到达到Z=60°的最坏情况，在这种情况下，很大一部分蓝光由于大气色散而丢失。这种斜率变化应在CCF的水平上用通量校正函数进行校正。
为了测试大气色散对 RV 精度的影响（如果有的话），作者模拟了某个天顶角的几个光谱。为了能够表征随机噪声和系统效应的影响，假设没有 ADC 来校正大气色散，每种情况都生成了104个光谱。发现在7000 个光谱之后，结果收敛到平均值，能够获得随机和系统误差信息。
NO.4
图文结果
表1.La Silla观测站感兴趣的天顶角（和空气质量）及其相应的大气色散水平。
表2.HARPS ETC 设置。未在此表中的设置保留为默认值。
图1.与参考Z = 0°相比，不同Z情况下的连续斜率变化。斜率是从未经 ADC 校正的受大气色散影响的合成光谱中提取的。
图2.系统性的RV变化与模拟次数的关系。很明显，在7000个光谱之后，结果收敛于红色虚线所描绘的平均值。
图3. 通量校正功能关闭时每组模拟光谱的计算RV值。误差条对应于1σ的随机误差。
图4. 当通量校正功能开启时，每组模拟光谱的计算RV值。误差条对应于1σ的随机误差。
图5. 总结了对ADC残差的要求的结论图。顶部：ADC残差导致的预期RV误差。底部。由于ADC残差导致的380纳米处的预期通量损失。
NO.5
总结
如果不通过ADC进行适当的修正，大气色散将在很大程度上造成误差。在设计高分辨率光谱仪时，ADC的残差将影响RV的精度以及通量损失。侧重于380和780nm之间的光谱范围，即本分析中使用的情况，100mas数量级的ADC残差一定不会引入可能影响10cm s-1水平精度的大误差。事实上，100mas的PV，在RV精度方面会有1cm s-1的影响。
文章链接：
https://academic.oup.com/mnras/article/491/3/3515/5637395?searchresult=1
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