Interested Article - Астрометрия

Лаборатория реактивного движения НАСА в Калифорнии — одна из наиболее заметных мировых организаций, занимающихся фундаментальными проблемами астрометрии

Астроме́трия (от др.-греч. ἄστρον — «звезда» и μετρέω — «измеряю») — раздел астрономии , главной задачей которого является изучение геометрических и кинематических свойств небесных тел .

Основная задача астрометрии более развёрнуто формулируется как высокоточное определение местонахождения небесных тел и векторов их скоростей в данный момент времени. Полное описание этих двух величин дают шесть :

небесные экваториальные координаты , или положения , — прямое восхождение ( ${\boldsymbol {\alpha }}$ ) и склонение ( ${\boldsymbol {\delta }}$ );
собственные движения , то есть экваториальные скорости по прямому восхождению и склонению ( ${\dot {\alpha }},{\dot {\delta }}$ );
параллаксы ;
лучевые скорости .

Точное измерение этих астрометрических параметров позволяет получить об астрономическом объекте дополнительную информацию, такую как :

абсолютная светимость объекта;
масса и возраст объекта;
классификация местонахождения объекта: в Солнечной системе , в Галактике , за её пределами, и т. п.;
классификация семейства небесных тел, к которому принадлежит объект;
отсутствие/наличие у объекта невидимых спутников .

Многие из этих сведений необходимы для того, чтобы делать выводы о физических свойствах и внутреннем строении наблюдаемого объекта, а также давать ответы и на более фундаментальные вопросы — об объёме, массе и возрасте всей Вселенной . Таким образом, астрометрия является одним из важнейших разделов астрономии, дающим экспериментальную информацию, необходимую для развития остальных разделов ( астрофизики , космологии , космогонии , небесной механики , и т. п.).

Классификация астрометрии

Фундаментальная астрометрия

Для точных измерений положений и движений небесных тел необходимо иметь систему отсчёта с заданными координатами. Фундаментальной астрометрией называется тот подраздел астрометрии, который занимается проблемами выбора такой системы координат, и связанных с ними вопросов — какие именно объекты выбрать для начала отсчёта (т. н., реализации системы координат ); каким способом привязать систему координат к объектам, являющимся началом отсчёта.

Современные системы координат подразделяются на и :

— система, определяемая на основе элементов орбиты вращения Земли вокруг Солнца .
— система координат, базирующаяся на привязке к объектам, собственные движения которых могут считаться достаточно хорошо известными.

С начала развития астрономии и вплоть до конца XX века астрономы всегда пользовались именно динамической системой экваториальных координат. За начало отсчёта этой системы была принята точка весеннего равноденствия , традиционно обозначаемая символом ${\boldsymbol {\Upsilon }}$ , — точки пересечения эклиптики с небесным экватором , определяемая из наблюдений годового движения Солнца.

Такая динамическая система имеет ряд недостатков. Вследствие прецессии и нутации земной оси , движения оси вращения внутри Земли, а также вековых и периодических орбиты Земли от тел Солнечной системы (т. н., «прецессия от планет» ), точка весеннего равноденствия движется среди звёзд. Пока в астрономии пользовались динамической системой координат, это движение вынуждены были компенсировать подсчётом влияния всех вышеперечисленных процессов, соответственно пересчитывая координаты на каждую .

Кроме того, динамическая система отсчёта не удовлетворяет предъявляемому к опорной системе требованию инерциальности .

Эти затруднения привели к целесообразности замены динамической системы координат на кинематическую. В современной астрометрии пользуются кинематической системой координат. В настоящий момент это система координат ICRF в радиодиапазоне, со внегалактическими объектами в качестве опорных, и HCRF в оптическом диапазоне, использующая привязку к системе ICRF наблюдений космического астрометрического проекта Hipparcos .

Кинематическая система отсчёта, базирующаяся на внегалактических объектах в качестве опорных, считается квазиинерциальной (поскольку ускорением в движении внегалактических объектов, и даже самим наличием этого движения, можно пренебречь).

Любая кинематическая система координат определяется с помощью фундаментального каталога , как совокупность всех астрометрических параметров объектов, зачисленных в этот каталог.

Практическая астрометрия

Практической астрометрией называется подраздел, занимающийся проблемами:

использования установленной системы координат;
определения из полученных сведений, где находятся изучаемые объекты и как они движутся;
организации и обработки наблюдений для решения этих задач;
оценки точности полученных результатов, и её улучшения до нужной точности.

К практической астрометрии следует отнести и обзоры неба — составление подробных фотографических карт с целью каталогизации как можно большего числа астрометрических объектов.

Изучение вращения Земли

Так как астрометрические наблюдения в большом объёме ведутся с поверхности Земли, изучение любых вариаций её движения и движения её коры также связано с решением астрометрических задач, и является подразделом астрометрии. На движение каждой отдельно выбранной точки на поверхности Земли влияют такие процессы как прецессия , нутация , , замедление вращения Земли, движение литосферных плит , неравномерность хода часов в гравитационном поле. При этом параметры вращения Земли не постоянны; они меняются со временем. Одним из методов, применяемых для изучения вращения Земли, является гравиметрия

Следует отметить, что вращение Земли примерно до середины XX века использовалось в астрометрии для измерения времени, а также географических координат. После изобретения более точных способов для того и другого астрометрия теперь решает обратную задачу — изучает вариации вращения Земли, (в частности, замедление), используя стандарты точного времени; и изучает колебания земной коры, используя системы глобальной спутниковой навигации .

История астрометрии

До появления астрофизики в начала XX века практически вся астрономия сводилась к астрометрии. Астрометрия неразрывно связана со звёздными каталогами . Первый каталог был составлен ещё в Древнем Китае астрономом Ши Шенем. Точнее, это был не каталог, а схематичная карта неба. Первый же астрометрический каталог , содержащий координаты звёзд, был создан древнегреческим астрономом Гиппархом и датируется 129 годом до нашей эры, но он не сохранился. Сравнив свои наблюдения с более ранними, Гиппарх открыл явление предварения равноденствий , или прецессии . Стимулом для развития астрометрии являлись практические нужды человека: без компаса и механических часов навигация могла осуществляться только по наблюдениям небесных светил (см. Астрономическая навигация ).

В Средние века астрометрия была широко распространена в Арабском мире. Наибольший вклад в неё внесли ал-Баттани (X в.), ал-Бируни (XI в.) и Улугбек (XV в.). В XVI веке Тихо Браге в течение 16 лет проводил наблюдения Марса , обработав которые, его преемник Иоганн Кеплер открыл законы движения планет . На основе этих эмпирических законов Исаак Ньютон описал закон всемирного тяготения и заложил основы классической механики , что привело к появлению научного подхода .

В конце XX века, после значительного кризиса, в астрометрии произошла революция, благодаря развитию вычислительной техники и усовершенствованию приёмников излучения.

Основные задачи современной астрометрии

Первоначально задачей астрометрии было измерение положения звёзд с целью определения по ним географических координат для навигации . Если географические координаты известны, то отмечая момент прохождения светила через небесный меридиан, можно узнать местное солнечное время .

Основные цели современной астрометрии

Здание Морской обсерватории США в Вашингтоне ( *англ. US Naval Observatory* , или *USNO* )

Создание нового фундаментального каталога, относительно удовлетворяющего требуемым для современных наблюдений критериям универсальности;
Усовершенствование опорной системы отсчёта на Земле ( ITRS ).
Проверка теории относительности, уточнение её фундаментальных параметров;
Создание универсальной карты неба, имеющей преимущества перед уже имеющимися фотографическими обзорами;
Получение астрометрических параметров для как можно большего количества различных объектов в нашей галактике;
Изучение эффекта микролинзирования , в том числе его влияния на построение фундаментальной опорной системы;
Накопление мониторинговых наблюдений для улучшения теорий движения Земли и тел Солнечной системы;

Методы астрометрии

Астрометрические наблюдения

Измеряемыми величинами при астрономических наблюдениях точечного источника света (в том числе и любой, за исключением Солнца , звезды) являются:

звёздная величина — характеризует количество квантов света, пришедшее от точечного источника за единицу времени на единицу площади;
спектральный состав — характеризует распределение по длинам волн всех квантов, пришедших от источника;
координаты , или положения звёзд — величины, показывающие, с какого направления пришли эти кванты.

Наблюдения, показывающие эти величины, являются фотометрическими , спектроскопическими , и астрометрическими соответственно. С появлением новых, более универсальных приёмников света, такое разделение по классификации наблюдений становится всё менее заметным. Для определения астрометрических параметров небесных тел необходимы все три перечисленные типа измерений.

Точность измерений положений ${\boldsymbol {\mu }}$ зависит от радиуса ${\boldsymbol {R}}$ дифракционного диска изображения точечного источника и количества квантов света ${\boldsymbol {n}}$ , пришедших от источника, следующим образом: $\mu \sim R/{\sqrt {n}}$

Астрометрические инструменты

Предполагается, что космический аппарат Gaia достигнет точности измерения углов до 20 µas (микросекунд дуги).

Классические астрометрические инструменты

Классический астрограф — телескоп-рефрактор , используемый для фотографирования небесных объектов. Получили распространение в конце XIX века после изобретения фотографии. Использовался для создания обзоров неба.

Телескоп Шмидта — зеркально-линзовый телескоп , имеющий, по сравнению с классическим астрографом, бо́льшую светосилу и поле зрения. Также используется для обзоров неба.

Длиннофокусный астрограф — рефрактор с фокусным расстоянием до 19 метров. В отличие от классического астрографа даёт большее увеличение, что позволяет его использовать для измерения параллаксов .

Пассажный инструмент — рефрактор , который может вращаться только вокруг горизонтальной оси, жёстко закреплённой на двух тумбах и расположенной в направлении запад-восток. Для наблюдений доступны небесные тела в момент прохождения ими небесного меридиана , то есть во время верхних и нижних кульминаций . На оси закреплён специальный диск, по которому можно наводить трубу инструмента по высоте . Во время наблюдения фиксируется и момент времени прохождения небесного тела через меридиан.

Меридианный круг — астрометрический инструмент для точного определения экваториальных координат небесных тел по наблюдениям их прохождения через меридиан. В отличие от пассажного инструмента на оси закреплены разделённые круги, позволяющие с высокой точностью определять склонения наблюдаемых небесных тел.

Зенит-телескоп и используются для определения широты.

Примечания

Лучевая скорость иногда определяется по спектрам, поэтому её не всегда относят к астрометрическим параметрам
↑ Куимов К.В. Современная астрометрия // Земля и Вселенная : Журнал. — М. , 2003. — № 5 . — С. 23—34 .
«Прецессия от планет» — сложившийся исторически термин, обозначающий возмущения от планет. Он не имеет ничего общего с прецессией — движением оси вращающегося объекта

Ссылки

// Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
от 24 сентября 2020 на Wayback Machine
от 4 июня 2008 на Wayback Machine
(недоступная ссылка)
от 19 февраля 2007 на Wayback Machine