Астрометрия
Астроме́трия (от астро… и …метрия), раздел астрономии, в котором изучаются геометрические, кинематические и динамические свойства небесных объектов для построения пространственной картины Вселенной. В круг вопросов, рассматриваемых астрометрией, входят измерение положений небесных объектов, определение расстояний до них, разработка согласованной системы астрономических постоянных, построение шкалы межзвёздных расстояний, определение орбитальных движений двойных и кратных звёзд и др. Одной из основных задач астрометрии является построение двух пространственно-временных систем отсчёта и измерение координат небесных тел в этих системах. Одна из этих систем – пространственно-инерциальная система небесных координат, другая – система координат, жёстко связанная с Землёй. Эти системы координат фиксируются положениями и изменениями некоторой совокупности реперов (опорных точек), которыми для инерциальной системы служат небесные тела, а для земной – точки земной поверхности. Ещё одной задачей астрометрии является определение моментов астрономических событий и промежутков времени между ними, т. е. определение и хранение времени.
Астрометрия – древнейший раздел астрономии, который начинался с определения положений звёзд для изучения суточного вращения небосвода, движения небесных светил, ориентировки на местности и счёта времени. Звёздные каталоги составлялись в Китае ещё в 4 в. до н. э. (Ши Шэнь). В 135 г. до н. э. Гиппарх – создатель одного из древнейших каталогов, включавшего в себя не менее 850 звёзд, – сравнивая результаты своих наблюдений с результатами, полученными его предшественниками, Тимохарисом и Аристиллом, открыл явление предварения равноденствий, или прецессию земной оси. Наиболее точные наблюдения невооружённым глазом проводили в 16 в. T. Браге, в 17 в. – Я. Гевелий. И. Кеплер на основе данных Т. Браге вывел законы движения планет (законы Кеплера), а Г. Галилей и И. Ньютон ввели понятие системы неподвижных звёзд – инерциальной системы координат.
Рис. 1. Большой пассажный инструмент Эртеля для определения прямых восхождений звёзд и планет абсолютным методом. Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория Российской академии наук.Э. Галлей в 1718 г. открыл собственные движения звёзд, что усложнило проблему установления инерциальной системы координат. В конце 18 в. П.-С. Лаплас предложил определять движение звёзд на основе закона всемирного тяготения. Большой вклад в развитие астрометрии внёс Дж. Брадлей, который открыл годичную аберрацию света (1728) и нутацию земной оси, а также провёл наблюдения 3268 звёзд. Результаты этих наблюдений легли в основу фундаментального каталога, составленного А. Ауверсом, первая часть которого, содержащая координаты 539 звёзд северного полушария, вышла в свет в 1879 г., а вторая, с координатами 83 звёзд южного полушария, в 1883 г.
Разработка классических основ астрометрических наблюдений, развитие теории и метода учёта инструментальных и личных ошибок наблюдателей связаны с именами Ф. Бесселя и В. Я. Струве.
При выполнении этих работ в течение нескольких столетий использовались астрометрические инструменты, ставшие впоследствии классическими. К ним относятся пассажный инструмент (рис. 1), меридианный круг, вертикальный круг. В 20 в. созданы меридианные круги, в которых большинство процессов при наблюдениях автоматизированы.
Во 2-й половине 19 в. в астрометрии стали использоваться астрографы (рис. 2), которые позволяли делать снимки некоторых участков небесной сферы сначала с помощью фотопластинок, а затем с помощью ПЗС-матриц. Эта техника получила название «астрометрия малых полей» (англ. small field аstrometry). Она позволяла определять координаты небесных объектов (Луны, планет, звёзд, галактик, квазаров) в системе опорного каталога, определять собственные движения звёзд, годичные параллаксы звёзд, изучать двойные и кратные звёздные системы. В астрометрии малых полей используются различные типы телескопов – рефракторы, рефлекторы, как длиннофокусные, так и короткофокусные.
Рис. 2. Нормальный астрограф Пулковской обсерватории. ГАО РАН.При проведении астрометрических наблюдений определяют 6 параметров: сферические координаты объектов на небе, собственные движения по прямому восхождению и склонению, параллакс и лучевую скорость. Это важнейшие характеристики небесных тел, которые позволяют судить о большинстве других характеристик, таких как массы, светимости, принадлежность звёзд или галактик к определённым скоплениям и т. д.
Основными результатами наземных оптических астрометрических наблюдений являются звёздные каталоги, содержащие точные координаты и собственные движения звёзд. В решении этой задачи приняли участие крупнейшие обсерватории мира: Парижская обсерватория, Гринвичская обсерватория, Главная астрономическая обсерватория РАН в Пулково, Военно-морская обсерватория США и др. Регулярные наблюдения на этих обсерваториях позволили построить поколения фундаментальных каталогов звёзд (FK). Каждый отдельный каталог является одной из реализаций системы отсчёта параметров наблюдаемых звёзд. При этом каталоги вначале строились на небольшом количестве звёзд, например каталог FK5 содержал 1535 наименований. Затем каталоги стали пополняться бо́льшим числом наблюдаемых звёзд, так, в каталоге PPM (Positions and Proper Motions) в 1994 г. их стало более 300 тыс.
В течение многих веков астрометрические наблюдения проводились только на оптических телескопах, но современная астрометрия использует аппаратуру практически для всех диапазонов электромагнитного спектра, что даёт значительное увеличение точности наблюдений и, как следствие, точности новых создаваемых каталогов. На пути увеличения точности оптических наблюдений звёзд всегда стояли два главных препятствия – влияние атмосферы, размывающее изображения звёзд, и действие силы тяжести, приводящее к деформации телескопа.
Рис. 3. Наземно-космический радиоинтерферометр со сверхдлинной базой (принципиальная схема). Наземные и космические антенны ведут одновременные наблюдения радиоисточника с последующей совместной обработкой записанных данных. Это позволяет достичь такого углового разрешения, которое было бы у телескопа с диаметром антенны, равным максимальному расстоянию между реальными антеннами интерферометра.В начале 1960-х гг. были открыты квазары – удалённые внегалактические радиоисточники, практически неподвижные в проекции на небесную сферу. Квазары имеют очень малые угловые размеры (меньше 1″) и хорошо подходят в качестве астрометрических объектов для построения опорной системы координат. Современное развитие радиоастрономии и прежде всего радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ, рис. 3) привело к тому, что точность астрометрических наблюдений в радиодиапазоне значительно превысила точность наземных оптических наблюдений. В 1992 г. по рекомендации Международного астрономического союза внегалактические радиоисточники стали основой для образования Международной небесной опорной системы координат (ICRF). Эта система базируется на каталоге положений 608 внегалактических радиоисточников, наблюдавшихся в течение 1979–1995 гг. Основными (или первичными) являются 212 компактных радиоисточников, стандартная ошибка положений которых не превышает 0,4 мкс дуги. Преимуществами наблюдений внегалактических радиоисточников в качестве опорных объектов являются: значительное повышение точности по сравнению с наблюдениями в оптическом диапазоне, высокая стабильность из-за отсутствия значимых собственных движений и отсутствие зависимости от привязки к движению объектов Солнечной системы. В 1998 г. для координации работ мировой РСДБ-сети была создана специальная международная служба РСДБ-наблюдений (IVS – International VLBI-Service for Geodesy and Astrometry). В работе участвует около 20 учреждений в 15 странах. В современной астрометрии РСДБ занимает особое место, позволяя независимым способом построить небесную и земную системы отсчёта и определить их взаимную ориентацию. Однако официальной стандартной системой отсчёта в астрометрии остаётся классическая система, реализуемая каталогом FK5, поскольку большинство звёзд наблюдается только в оптическом диапазоне. Методом РСДБ изучают Землю, квазары и очень малочисленную выборку радиозвёзд.
Рис. 4. Космический телескоп «Гиппаркос» (Европейское космическое агентство). Художественное представление.Низкую точность классических наземных астрометрических наблюдений звёзд удалось преодолеть с помощью специальной оптической аппаратуры, установленной на космических аппаратах. Наблюдения из космоса обладают огромными преимуществами: отсутствие атмосферы, отсутствие силы тяжести, возможность охвата всей небесной сферы, огромная производительность, возможность работы в различных диапазонах длин волн и достижения милли- и микросекундной точности положений, собственных движений и параллаксов звёзд. В 1989 г. Европейское космическое агентство (ЕКА) осуществило запуск космического телескопа «Гиппаркос» (рис. 4). Целью запуска было осуществление двух проектов: измерение собственных движений и параллаксов приблизительно 100 тыс. звёзд на миллисекундном уровне точности (проект HIPPARCOS) и измерение положений, собственных движений и параллаксов приблизительно 1 млн звёзд на уровне точности, характерной для наземной астрометрии (проект TYCHO). Космический телескоп «Гиппаркос» проработал на орбите 37 месяцев, выполнив всю программу. Результатом этих проектов стали 2 каталога. Первый из них – каталог HIPPARCOS, который содержит измеренные координаты, собственные движения и параллаксы для 118 218 звёзд с ошибкой около 1 мс дуги. Второй каталог – TYCHO – содержит 1 058 332 звезды, положения которых измерены с несколько меньшей точностью. После достаточно сложной обработки каталог HIPPARCOS был привязан к Международной небесной системе отсчёта (ICRS).
Рис. 5. Космический телескоп GAIA (Европейское космическое агентство). Художественное представление.Второй астрометрический космический телескоп GAIA (рис. 5) был создан ЕКА в 2013 г. Запуск был осуществлён 19 декабря 2013 г. с космодрома Куру российской ракетой-носителем «Союз STB-Фрегат» в окрестность второй точки Лагранжа системы Солнце – Земля. Цель проекта – получение информации об 1 млрд объектов до звёздной величины 20m (с точностью 20 мкс дуги для звёзд ярче 15m и с точностью 200 мкс дуги для звёзд ярче 20m). Измерительные возможности телескопа GAIA на несколько порядков превышают возможности телескопа «Гиппаркос».
Астрометрия с достигнутым уровнем точности является не только метрологическим базисом современной астрономии, но и позволяет решать совершенно новые задачи. Важнейшие из них – построение пространственной картины Вселенной и определение точной шкалы межзвёздных расстояний, исследование воздействия нестационарного гравитационного поля Галактики на координатно-временные измерения, поиск планетных систем у звёзд (экзопланет), проверка тонких эффектов теории относительности.