Астрометрия

АСТРОМЕТРИЯ (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 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.

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 (об истории развития астрометрии смотри в статье Астрономия).

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 масса, светимость, 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. 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. Каталог FK5 представляет собой наиболее точную фундаментальную систему координат на 2004 год. 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.

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 году по рекомендации Международного астрономического союза (MAC) 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 годов. Основными (или первичными) являются 212 компактных радиоисточников, стандартная ошибка положений которых не превышает 0,4 угловой миллисекунды. С 1998 года введена новая опорная система координат ICRS (International Celestial Reference System), которая реализована в оптическом и радиодиапазонах. 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.

Реализацией фундаментальной системы координат в оптическом диапазоне считается каталог «Гиппаркос», построенный на измерениях угловых расстояний между парами звёзд на небе. Получено около 100 отдельных наблюдений для каждой из почти 120 тысяч звёзд. Положения, годичные собственные движения и параллаксы этих звёзд определены с погрешностью в несколько угловых миллисекунд. Лучевые скорости известны для очень небольшого количества звёзд (около 1 тысячи). На завершающей стадии обработки наблюдений выполнена привязка системы каталога «Гиппаркос» к системе координат ICRS. MAC рекомендовал каталог «Гиппаркос» в качестве базовой реализации системы ICRS в оптическогм диапазоне.

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 уже не используют классические зенит-телескопы, астролябии, меридианные круги, фотографические зенитные трубы и пассажные инструменты. Предметом наблюдений стали не звёзды, а радиоисточники и специализированные ИСЗ. С 1998 года введена Международная земная опорная система координат ITRS (International Terrestrial Reference System). Это геоцентрическая система с центром масс, определяемым для Земли в целом, включая атмосферу и океаны. Установлен 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.

Лит.: Подобед В. В.. Нестеров В. В. Общая астрометрия. 2-е изд. М., 1982; Kovalevsky J. Modern astrometry. В.; N. Y., 1995.