Опорные системы отсчета в астрономии

Астрометрия является разделом астрономии, который с древнейших времен занимается определением положений небесных светил. Если дать более строгое определение, то «астрометрия – наука, которая на основе получения координат небесных тел и изучения вращения Земли... создает опорную инерциальную пространственную систему координат и согласованный комплекс фундаментальных астрономических постоянных, реализующий связь этой системы с Землей» [1].

Опорная система координат на небе реализуется, как правило, в виде каталога точных положений избранных объектов. До 1997 года в качестве таких опорных объектов выступали звезды. Однако использование звезд в качестве опорной системы связано с решением сложного вопроса определения собственных движений самих звезд.

Во Вселенной существуют такие классы удаленных объектов, как радиогалактики и квазары, которые обладают мощным радиоизлучением, в то же время являясь практически неподвижными для наблюдателя в Солнечной системе. Их положения были определены с помощью радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) с непревзойденной для других методов точностью. Это позволило астрономам в 1997 году перейти к новой высокоточной опорной системе небесных координат, оси которой «закреплены» на небесной сфере с помощью каталога положений внегалактических радиоисточников. Эта система получила название ICRS - International Celestial Reference System (Международная небесная система координат). Начало системы ICRS находится в барицентре Солнечной системы (ее центре масс). В качестве первичной реализации новой опорной системы координат был принят каталог положений 608 внегалактических радиоисточников IСRF - International Celestial Reference Frame (Международная небесная система отсчета). Каталог IСRF2, который с 1 января 2010 года поддерживает координатную сетку IСRS на небесной сфере, включает высокоточные положения уже 3414 внегалактических объектов. Связь с первоначальным каталогом IСRF осуществляется с помощью 138 общих внегалактических источников. Для поддержания высокой точности и стабильности опорной системы этот каталог постоянно контролируется и изменяется. Фактически, система ICRS является независимой от оптических систем координат (единственной общей точкой является нуль-пункт прямого восхождения, который согласуется по прямому восхождению квазара 3С 273В). Поэтому использование ее для наблюдений объектов в других областях спектра (прежде всего, в оптической) требует решения проблемы распространения этой опорной системы на другие диапазоны волн. Это делает задачу согласования и поддержания связи оптической и радио систем координат крайне важной для обеспечения единой системы координат в астрономии.

Успешное завершение космической миссии Hipparcos (1989-1993 гг.) привело к созданию высокоточных каталогов положений звезд - Hipparcos и Tycho. Каталог Hipparcos содержит 118218 звезд до 12.5 звездной величины; точность положений, собственных движений и параллаксов составляет 1 mas (миллисекунда дуги); плотность звезд на небесной сфере в среднем составляет 3 звезды на квадратный градус. Каталог Tycho составляют положения 1058332 звезд; точность от 7 до 25 mas; плотность звезд в среднем 26 на квадратный градус. Согласно рекомендациям Международного Астрономического Союза (МАС), модифицированная система каталога Hipparcos называется небесной опорной системой координат Hipparcos - Hipparcos Celestial Reference Frame (HCRF). Она является первичной реализацией системы ICRS в оптической области спектра.

На сегодняшний день согласование двух систем (оптической и радио) сводится к определению углов взаимной ориентации осей. Для этого необходимо иметь общие объекты, для которых известны положения и собственные движения по наблюдениям в оптическом и радио диапазонах длин волн.

Одним из способов решения этой задачи является определение координат внегалактических радиоисточников в системе HCRF. Как известно, каталог Hipparcos содержит лишь яркие объекты, а большинство внегалактических радиоисточников имеют очень слабые звездные величины, что требует для их наблюдений использования больших астрофизических телескопов. На протяжении 2000-2006 годов Николаевская обсерватория принимала участие в международном проекте по определению параметров взаимной ориентации оптической и радио систем координат. В проекте участвовали астрономические учреждения Китая (Шанхайская обсерватория), России (Казанский университет), Турции (Национальная обсерватория Турции) и Украины (Николаевская астрономическая обсерватория). С помощью телескопа RTT150 (диаметр зеркала 1.5 м, Турция, гора Бакырлытэпе) и телескопа Юнаньской обсерватории (диаметр зеркала 1 м, Китай) были получены оптические наблюдения около 300 внегалактических радиоисточников списка ICRF и вычислены их положения. Полученные разности оптических и радиоположений были использованы для контроля и уточнения параметров взаимной ориентации оптической и радио систем координат. Результаты показали отсутствие значимых расхождений между системами на уровне точности 4 - 5 угловых миллисекунд [3, 4].

Следует отметить, что прямое использование высокоточных космических каталогов Hipparcos и Tycho для определения положений радиоисточников невозможно из-за малой плотности звезд в этих каталогах. Поэтому важной задачей в данном направлении является распространение системы HCRF на область более слабых звезд. Кроме того, собственные движения звезд, определенные космическим аппаратом на коротком периоде наблюдений, показали значительные расхождения с наземными собственными движениями, определенными по большой разности эпох. Выдающимся событием современной астрометрии стало создание каталога Tycho2 (2539913 звезд) - результата объединения позиционных данных эксперимента Tycho и более 140 наземных каталогов 20-го столетия для определения собственных движений. Использование каталога Tycho2 в качестве опорного позволило расширить HCRF до 17-й звездной величины в оптическом и инфракрасном диапазонах длин волн. Из наиболее известных высокоточных каталогов следует также отметить такие каталоги, как UCAC3 [10], CMC14 [6] и 2MASS [7]. Несмотря на то, что потенциальные точности и предельные звездные величины, достигнутые космической астрометрией, таковы, что наземные инструменты конкурировать с ними не могут, роль наземной астрометрии заключается в дополнении этих наблюдений в тех областях, где «космический» вклад незначителен или его нет вообще. Сравнение «мгновенных» (полученных с помощью космической астрометрии) и «наземных» значений собственных движений звезд дает дополнительную информацию о физической природе изучаемых объектов, позволяет сделать предположение о наличии или отсутствии невидимых компонент, в то время как высокая стоимость и ограниченный срок действия космических аппаратов делают невозможным решение задач, связанных с пониманием кинематики и динамики нашей Галактики, для которых требуются массовые точные определения собственных движений звезд и их параллаксов.

Особый интерес для астрономов представляют звезды с большими собственными движениями. Это связано прежде всего с тем, что, как правило, эти звезды находятся относительно близко от Солнца. Это позволяет использовать их для решения таких задач, как уточнение модели нашей Галактики, расположение Солнца в ней, определение особенностей строения и эволюции различных галактических подсистем.

Большой процент звезд, имеющих большие собственные движения, составляют звезды низкой светимости (белые, красные и коричневые карлики), что дает возможность использовать их для поиска и изучения звезд с невидимыми спутниками. Поскольку эти звезды относительно быстро изменяют свое положение на фоне более далеких звезд, они также могут выступать в качестве линзирующих объектов при проведении высокоточных космических экспериментов. Наземные наблюдения могут помочь в задаче предвычисления этих явлений, вероятности их наступления и продолжительности.

В настоящее время на Николаевском аксиальном меридианном круге ведутся регулярные наблюдения звезд с высокими собственными движениями в рамках фундаментальной научно-исследовательской работы «Уточнение кинематических параметров звезд и звездных подсистем Галактики на основе ПЗС-наблюдений избранных зон». Работа над темой будет проходить на протяжении 2010-2012 гг. Руководителем темы является директор НИИ НАО, доктор физ.-мат. наук, профессор Пинигин Г.И.

Литература:

1. Подобед В.В., Нестеров В.В. Общая астрометрия . – М.: Наука. Главная редакция физико–математической литературы, 1982. – 576с.

2. Хруцкая, Е., Ховричев, М., Измайлов, И., Бережной, А. Пулковская программа исследования звезд с большими собственными движениями.// Изв. ГАО №219, 2009, в.4, с.355-360.

3. Aslan Z. , Gumerov R., Jin W., Khamitov I., Maigurova N., Pinigin G., Protsyuk Y., Shulga A., Тang Z., Wang S. Results of Joint project on linking optical–radio reference frames // Kinematics and Physics of Celestial Bodies Suppl. Ser.– 2005. – № 5. – P. 333–337.

4. Aslan Z., Gumerov R., Jin W., Khamitov I., Maigurova N., Pinigin G., Тang Z., Wang S. Optical counterpart positions of extragalactic radio sources and connecting optical and radio reference frames // Astron. and Astroph., - 2010. - V. 510. - id.A10

5. Archinal B.A., Arias E.F., Gontier A.- M., Mercuri – Moreau C. Phisical characteristics of radio sources // IERS Techical Note 23. – 1997. - P.II–11 – II–24.

6. http://www.ast.cam.ac.uk/~dwe/SRF/camc.html

7. http://www.ipac.caltech.edu/2mass/

8. Hog E., Fabricius C., Makarov V.V., Urban S. The Tycho–2 Catalogue of the 2.5 million brighters stars // Astron. Astrophys. – 2000. – V. 355 .– L 27– L30.

9. The Hipparcos and Tycho catalogues. Astrometric and photometric star catalogues derived from the ESA Hipparcos Space Astrometry Mission, Publisher: Noordwijk, Netherlands: ESA Publications Division, 1997.

10. Zacharias N., et al. The Third US Naval Observatory CCD Astrograph Catalog (UCAC3) // Astron. J. – 2010. – V. 139. – P. 2184–2199.

11. Salim, S., Gould, A., Nearby Microlensing Events: Identification of the Candidates for theSpace Interferometry Mission.// Astrophysical Journal, 2000, Volume 539, Issue 1, pp. 241-257.