Астрометрия

Источник статьи: Большая российская энциклопедия

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 астрометрия, 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 опорных систем координат: пространственной инерциальной системы небесных координат и системы координат, жёстко связанной с Землёй. Эти системы координат фиксируются положениями и изменениями некоторой совокупности реперов, 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, то есть определение и хранение времени.

Астрометрия – древнейший раздел астрономии, которая начиналась с определения положений звёзд для изучения суточного вращения небосвода и движения небесных светил, ориентировки на местности и счёта времени. Звёздные каталоги составлялись в Китае ещё в 4 в. до н.э. (Ши Шэнь). В 123 г. до н.э. Гиппарх – создатель древнейшего из сохранившихся до нашего времени каталога 1022 звёзд, открыл явление предварения равноденствий, или прецессию земной оси. Наиболее точные наблюдения невооружённым глазом проводили в 16 в. Т.Браге, в 17 в. – Я.Гевелий. На основе данных Браге И.Кеплер вывел законы движения планет. Г.Галилей и И.Ньютон ввели понятие системы «неподвижных звёзд» – инерциальной системы координат. Э.Галлей в 1718 открыл собственные движения звёзд, что усложнило проблему установления инерциальной системы координат. В конце 18 в. П.Лаплас предложил определять движение звёзд относительно галактик. Большой вклад в развитие астрометрии внёс Дж.Брадлей, который открыл годичную аберрацию света (1728) и нутацию земной оси, а также провёл наблюдения 3268 звёзд. Разработка классичесских основ астрометрических наблюдений, развитие теории и метода учёта инструментальных и личных ошибок связаны с именами Ф.Бесселя и В.Я.Струве. Первую фундаментальную систему звёздных положений и первый фундаментальный каталог звёзд составил в 1879 немецкий астроном А.Ауверс.

При проведении астрометрических наблюдений определяют шесть параметров: сферические координаты объектов на небе (прямое восхождение и склонение), 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 к определённым скоплениям звёзд или галактик и т.д.

Система небесных координат, пригодная для изучения движений во Вселенной, должна быть инерциальной, то есть обладать только прямолинейным и равномерным движением без вращения. Реализация такой системы координат – фундаментальная (или опорная) система – отличается от инерциальной наличием вращения, обусловленного реальными физическими законами движения опорных реперов. Установление фундаментальной системы координат является задачей фундаментальной астрометрии. Практически фундаментальная система координат реализуется в виде списка (каталога) координат небесных тел, положения которых определены с наилучшей возможной точностью (см. Фундаментальные каталоги). Все остальные астрометрические наблюдения имеют целью определение координат других небесных объектов в этой фундаментальной системе координат.

Многолетние высокоточные меридианные наблюдения ярких звёзд стали основой серии фундаментальных каталогов FK, реализовавших в 20 веке опорную систему координат. Каталоги время от времени улучшались за счёт включения новых наблюдений. Особую ценность в фундаментальных каталогах имеют собственные движения звёзд, так как они позволяют не только переводить опорные системы координат от эпохи к эпохе, но и непосредственно использовать эти движения звёзд при исследовании кинематики Галактики или для определения расстояний до ближайших звёздных скоплений. Построенная таким образом фундаментальная система медленно вращается в пространстве из-за изменения направления оси вращения Земли вследствие прецессии и нутации.

Система отсчёта – понятие условное; основные плоскости и точки, а также координатные оси системы определяются на основании официальных соглашений. В качестве практической реализации системы отсчёта принимается список координат и скоростей некоторого числа выбранных объектов (звёзд или радиоисточников). Такой список и называется каталогом. Каждый отдельный каталог является одной из реализаций системы отсчёта.

В начале 1960-х годов открыты квазары – удалённые внегалактические радиоисточники, практически неподвижные в проекции на небесную сферу. Излучая в широком спектральном диапазоне (в том числе в оптическом и радиодиапазонах), квазары имеют очень малые угловые размеры (< 1") и хорошо подходят в качестве астрономических объектов для построения опорной системы координат. Современное развитие радиоастрономии (прежде всего радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой) привело к тому, что точность астрометрических наблюдений в радиодиапазоне значительно превысила точность наземных оптических наблюдений. В 1992 по рекомендации Международного астрономического союза (МАС) внегалактические радиоисточники стали основой для образования Международной небесной опорной системы координат ICRF (International Celestial Reference Frame). Эта система базируется на каталоге положений 608 внегалактических радиоисточников, наблюдавшихся в течение 1979–95. Основными (или первичными) являются 212 компактных радиоисточников, стандартная ошибка положений которых не превышает 0,4 угловой миллисекунды. Преимуществами внегалактических радиоисточников как опорных объектов являются значительное повышение точности, высокая стабильность из-за отсутствия значимых собственных движений, отсутствие зависимости от привязки к движению объектов Солнечной системы.

В 1990-х годах был успешно осуществлён космический проект «Hipparcos» для высокоточного измерения параллаксов. В результате было получено около 100 отдельных наблюдений для каждой из почти 120 тысяч звёзд, отобранных для наблюдений. Положения, годичные собственные движения и параллаксы этих звёзд определены с погрешностью в несколько угловых миллисекунд. Лучевые скорости известны для очень небольшой выборки звёзд (около 1 тысячи). На завершающей стадии обработки наблюдений выполнена привязка системы каталога «Hipparcos» к системе координат ICRS. МАС рекомендовал каталог «Hipparcos» в качестве базовой реализации системы ICRS в оптическом диапазоне. Наиболее точный на 2016 год каталог FK6 представлен собой комбинацию результатов наземных наблюдений и космического астрометрического проекта «Hipparcos».

С 1 января 1998 года по решению МАС определена Международная небесная система отсчёта ICRS (International Celestial Reference System), оси которой фиксированы по отношению к квазарам, но для сохранения преемственности направления осей согласованы с системой FK5. Практической реализацией ICRS является указанный выше каталог радиоисточников, который и представляет Международную небесную опорную систему координат ICRF.

Международная земная система отсчёта (International Terrestrial Reference System, ITRS), по определению, есть геоцентрическая система с началом в центре масс Земли, включая океаны и атмосферу, вращающаяся вместе с Землёй. Ось вращения системы ITRS практически совпадает с условным международным началом (Conventional International Origin, CIO), определённым как среднее положение земного полюса по измерениям Международной службы широты на интервале с 1900 по 1905. Это сделано, чтобы избежать скачков в движении полюса при замене систем координат.

Когда наблюдения ведутся с Земли, все телескопы движутся вместе с Землёй в её пространственном движении вокруг Солнца. Особенности движения и неравномерности вращения Земли должны быть учтены при обработке наблюдений; таким образом, изучение вращения Земли – тоже задача астрометрии.

При изучении вращения Земли ушли в прошлое классические зенит-телескопы, астролябии, меридианные круги, фотографические зенитные трубы и пассажные инструменты. Предметом наблюдений стали не звёзды, а радиоисточники и специализированные искусственные спутники Земли (ИСЗ). Международная земная опорная система координат ITRS устанавливает набор предписаний, соглашений и моделей, необходимых для определения трёх ортогональных осей системы на любой момент времени (модель геопотенциала, модель атмосферы, модель приливов, модель движения плит и пр.). Реализована земная система координат через оценки координат и скоростей смещения совокупности наземных станций, ведущих наблюдения при помощи радиоинтерферометров со сверхдлинной базой, средств лазерной локации Луны и ИСЗ, радиотехнических спутниковых систем GPS, DORIS, ГЛОНАСС.

Опорная небесная система координат связана с опорной земной системой координат при помощи параметров ориентации Земли, определяемых Международной службой вращения Земли. Параметры вращения Земли представляют собой описание движения земной системы координат относительно небесной.

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, исследование природы и распределения тёмной материи, поиск планетных систем у звёзд, проверка тонких эффектов теории относительности.

Литература статьи Большой российской энциклопедии

• Подобед В. В., Нестеров В. В. Общая астрометрия. 2-е изд. М., 1982.
• Ковалевский Ж. Современная астрометрия. Фрязино, 2004.
• Жаров В. Е. Сферическая астрономия. Фрязино, 2006.