Астрометрия

Астрометрия (далее А) (от астро... и ...метрия), раздел астрономии, задачей которого является построение основной инерциальной системы координат для астрономических измерений (решается совместно с другими разделами астрономии — небесной механикой и звездной астрономией) и определение точных положений и движений различных небесных объектов из наблюдений. Одна из задач А — изучение вращения Земли, в том числе исследования движения полюсов (служба широты) и неравномерности вращения (включающее и проблему исчисления времени — службу времени). Методами А измеряют параллаксы и угловые диаметры небесных светил, размеры и расположение деталей на их поверхностях. Большое значение в А имеют инструментально-методические вопросы: разработка все более совершенных методов наблюдений и новых конструкций инструментов, детальные исследования инструментов и различных факторов, влияющих на точность измерений (термические градиенты, атмосферная рефракция и др.). К А относят также сферическую астрономию, в которой рассматриваются математические методы изучения видимого расположения и движения небесных объектов, и практическую астрономию — учение о методах и инструментах для определения времени, географических координат и азимутов направлений на Земле. В 50—60-х гг. 20 в. в связи с прогрессом космических исследований в А возникли новые задачи: определение координат быстро движущихся по небу объектов (искусственных спутников), астрометрические измерения с борта космических аппаратов, с поверхности Луны, ориентация искусственных спутников и космических зондов, ориентирование на Луне, на других планетах и т.п. Результатами астрометрических работ широко пользуются в других разделах астрономии — небесной механике, астрофизике, звездной астрономии, а также в геодезии и геофизике.

В задачу фундаментальной А входит составление каталогов положений и собственных движений звезд и определение значений астрономических постоянных. Классический метод определения координат светил состоит в наблюдении прохождений их через меридиан с помощью пассажного инструмента, вертикального круга или меридианного круга. Из моментов прохождения светил определяют их прямые восхождения, а из измерений зенитных расстояний — склонения. Начало координат (весеннего равноденствия точку) определяют из наблюдений Солнца и планет. При обработке результаты наблюдений освобождают от влияния преломления световых лучей при их прохождении через атмосферу (рефракция), движения земной оси в пространстве, вызванного притяжением Солнца и Луны (прецессия, нутация), эффекта, обусловленного относительным движением светила и наблюдателя (аберрация света), изменений широты вследствие движения полюсов Земли, различных инструментальных ошибок, личных ошибок наблюдателя и пр. Различают абсолютные, или независимые, определения координат, при которых все необходимые данные (азимут инструмента, нульпункт круга, широта, постоянная рефракции и др.) получают из наблюдений, и относительные, или дифференциальные, состоящие в измерениях координат светил относительно опорных звезд, точные положения которых берут из какого-либо каталога. Измерения координат на рефракторах с позиционным микрометром, а также фотографического определения относятся к дифференциальным.

Результаты определения координат звезд публикуются в виде звездных каталогов. Ввиду невозможности полного учета всех факторов, влияющих на результаты наблюдений, звездные каталоги отягощены систематическими ошибками, которые обнаруживаются при сравнении каталогов между собой. Каждый абсолютный каталог (полученный из абсолютных наблюдений) задает независимую координатную систему. Точность определения координат звезд характеризуется вероятной ошибкой одного наблюдения, которая в середине 20 в. близка к ±0,3" дуги большого круга. Главная задача фундаментальной А состоит в построении основной системы небесных координат, осуществляемой в виде фундаментального звездного каталога с точнейшими положениями и собственными движениями избранных, т. н. фундаментальных звезд. Эта задача решается путем совместной переработки многих, преимущественно абсолютных, каталогов, составленных на различных обсерваториях. Современные фундаментальные каталоги содержат координаты звезд, определенные с вероятной ошибкой не более ± 0,1". Видимые и средние места звезд из фундаментального каталога, рассчитанные для дат каждого года, публикуются в ежегодниках астрономических.

Определение собственных движений звезд — одна из сложных проблем А из-за медленности перемещений звезд по небу (для большинства звезд меньше чем 0,01" за год). Обычно их определяют сравнением координат звезд в новых и старых каталогах, приведенных к одной системе; однако на результат большое влияние оказывают ошибки каталогов. Более точные значения собственных движений получаются при определении их фотографическим методом: сравнением фотографий какого-либо участка неба, сделанных одним и тем же инструментом, с интервалом в несколько десятилетий. Для вычисления абсолютных собственных движений учитывают также движения опорных звезд. В 40-х гг. 20 в. в СССР начались работы по определению абсолютных движений звезд путем их астрометрической привязки к удаленным галактикам, которые отстоят от нас на миллионы парсек и практически неподвижны на небе.

Изучение вращения и движения полюсов Земли в А основано на материалах точных определений географических широт и времени. Еще в конце 18 в. Л. Эйлер пришел к заключению, что, если ось вращения Земли не совпадает с одной из осей ее эллипсоида инерции, то она должна двигаться в теле Земли по конусу, вызывая периодические изменения географических координат пунктов на земной поверхности. Позже это явление было подтверждено астрономическими наблюдениями, причем была обнаружена также небольшая годовая волна в движении оси вращения Земли, обусловленная изменением моментов инерции Земли вследствие сезонного перемещения масс (в основном воздушных) на ее поверхности. Для детального изучения этого явления, зависящего от внутреннего строения Земли, в конце 19 в. была организована Международная служба широты (позже реорганизованная в Международную службу движения полюсов Земли), в которую вошел ряд станций, в том числе одна — в России (ныне в Китабе). Исследования изменений широты и движения полюса регулярно ведут также и на обсерваториях в Пулкове, Полтаве (СССР), на Гринвичской обсерватории (Англия), в Париже ( Вашингтоне (США) и др.

Около середины 20 в. было окончательно установлено, что период вращения Земли вокруг оси не остается строго постоянным. Выявлены 3 рода неравномерности: 1) медленное, вековое замедление вращения, главным образом из-за приливного трения в морях (за столетие длина суток увеличивается приблизительно на 0,001 сек), 2) неправильные, иногда скачкообразные флюктуации, изменяющие длину суток до 0,005 сек, причина их еще не установлена; 3) периодические сезонные вариации длины суток до 0,001 сек, вызываемые в основном атмосферной циркуляцией. Первые два явления были обнаружены при изучении движения Луны на протяжении длительного периода, в частности при анализе отклонений от теоретических моментов солнечных и лунных затмений, наблюдавшихся в древности. Сезонная неравномерность вращения Земли была установлена при сравнении астрономических определений времени с ходом кварцевых, а затем и часов. Так выяснилось, что всемирное время, в основе которого лежит период вращения Земли, не является равномерным. Поскольку для различных научных задач, в том числе для изучения движения небесных светил и для предвычисления их положений (эфемериды), необходима равномерная система счета времени, в 1950 были введены понятия эфемеридного времени, задаваемого движением Земли вокруг Солнца и определяемого из наблюдений Луны, и атомного времени, задаваемого молекулярными и стандартами частоты. В связи с этим в А стали особенно актуальными регулярные наблюдения Луны и точнейшие определения астрономического времени по звездам. Для определения положений Луны, наряду с классическими меридианными наблюдениями, вошел в практику фотографический метод. Наиболее точные определения времени по звездам (с ошибкой, меньшей ±0,01 сек) производят с помощью фотоэлектрических пассажных инструментов, а также фотографическими зенитными трубами и призменными астролябиями. Работы по определению точного времени, ведущиеся в разных странах, объединяются Международным бюро времени (МБВ), функционирующим в Париже. В СССР существует Советская служба времени, возглавляемая Комитетом стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР.

Результаты астрометрических наблюдений являются материалом для определения систем астрономических постоянных. Уточнение постоянной прецессии, определение направления и скорости движения Солнца среди звезд и параметров вращения Галактики производят статистической обработкой собственных движений звезд (а также их лучевых скоростей). Постоянную нутации определяют главным образом из анализа многолетних широтных наблюдений. Параллакс Солнца и связанные с ним астрономическую единицу и постоянную аберрации до середины 20 в. также определяли методами А Однако с 1960 их стали вычислять с гораздо большей точностью из радиолокационных наблюдений планет (см. Радиолокационная астрономия).

А — древнейший раздел астрономии. Звездные каталоги составлялись в Китае еще в 4 в. до н. э. (Ши Шэнь). Астроном Др. Греции Гиппарх открыл явление прецессии и составил каталог 1022 звезд, который вошел в астрономический трактат "Альмагест" К. Птолемея. В 15 в. эти звезды заново наблюдал Улугбек в обсерватории около Самарканда. Наибольшей точности наблюдений невооруженным глазом достигли в 16 в. Тихо Браге в обсерватории (Дания) и в 17 в. Я. Гевелий в Гданьске (Польша). Наблюдения Тихо Браге послужили материалом, на основе которого немецкий астроном И. Кеплер вывел законы движения планет. Началом современной А считают работы Гринвичской астрономической обсерватории, где в 1-й половине 18 в. Дж. Брадлей (Англия) открыл аберрацию света и нутацию земной оси и провел наблюдения 3268 звезд пассажным инструментом и стенным квадрантом. Каталог, составленный позже из наблюдений Брадлея, сыграл большую роль при определении постоянной прецессии и изучении собственных движений звезд. Важное значение для развития А имели работы немецкого астронома Ф. Бесселя, предложившего рациональные методы для обработки наблюдений и исследования инструментов. Новый период в А начался работами Пулковской обсерватории (ныне Главная астрономическая обсерватория АН СССР), открытой в 1839. Благодаря заботам ее основателя В. Я. Струве обсерватория с самого начала была оснащена первоклассными инструментами и в дальнейшем получила широкую известность вследствие высокой точности каталогов звезд. Большой вклад в А в 19 и 20 вв. внесли также обсерватории США (Вашингтон), Юж. Африки (Кейптаун) и др. С 70-х гг. 19 в. в и США ведутся работы по составлению фундаментальных каталогов. Фундаментальные каталоги Германского астрономического общества (Astronomische Gesellschaft, или AG) считаются наиболее точными. По рекомендации Международного астрономического союза с 1940 для всех астрономических ежегодников был принят третий фундаментальный каталог AG (₃), а с 1962 — четвертый (₄). Большое применение, особенно в звездной астрономии, имеет каталог американской школы Босса, содержащий 33 342 звезды (GC).

Крупным международным предприятием явилось организованное около 1870 обществом AG составление меридианных зонных каталогов, включающих положения всех звезд до 9-й звездной величины. Издано около 40 каталогов, содержащих св. 400 тыс. звезд. Около 1930 и вновь около 1960 звезды северного неба из этих каталогов наблюдали в фотографическим методом с помощью широкоугольных астрографов; выведены собственные движения 270000 звезд. Массовые фотографические каталоги звезд составлены также в Пулкове (зоны от +70° до Северного полюса), в Йельской обсерватории США (зоны от +30° до —30° и др.), в Кейптауне (от —30° до Южного полюса). Крупнейшим является организованное в 1887 французскими астрономами международное предприятие "Карта неба" (Carte du Ciel) по фотографированию всего неба на т. н. нормальных астрографах с целью составления каталога координат около 3,5 млн. звезд до 11-й звездной величины и карты звезд до 14-й звездной величины. Издано большое число каталогов и карт для северного и южного неба. В 1906 голландский астроном Я. Каптейн предложил план "избранных площадей", предусматривающий детальное изучение различных характеристик многих тысяч звезд в 206 небольших площадках, равномерно распределенных по всему небу. По этому плану советский астроном А Н. Дейч в 1941 закончил исследование движения 18 тыс. звезд в площадках Северного полушария неба, начатое одним из основоположников фотографической астрометрии С. К. Костинским. Аналогичные работы были выполнены в США и Великобритании.

В 30-х гг. 20 в. по наблюдениям пяти советских и некоторых зарубежных обсерваторий составлен Каталог геодезических звезд, содержащий около 3000 звезд северного неба до 6-й звездной величины. Каталог широко применяют в службах времени и в геодезических работах. В 1939 советская А начала большую работу по созданию фундаментального Каталога слабых звезд посредством меридианных наблюдений нескольких десятков тыс. звезд и фотографических наблюдений малых планет и удаленных галактик. В 50-е гг. эта проблема была объединена с международным предприятием по составлению каталога около 40 000 опорных слабых звезд, расположенных на всем небе. В наблюдениях на Южном полушарии по этой проблеме большое участие приняла чилийская экспедиция Пулковской обсерватории.

Методы фотографической астрометрии применяются также для определения собственных движений звезд и параллаксов звезд, для измерения двойных звезд, для наблюдений больших и малых планет и искусственных спутников Земли. Параллаксы определяют с помощью наиболее длиннофокусных астрографов (фокусные расстояния от 7 до 19 м), эти работы систематически ведут обсерватории США, Юж. Африки и др. Для наблюдений искусственных спутников применяют специальные широкоугольные спутниковые фотокамеры с автоматическими затворами, обеспечивающими регистрацию времени экспозиции с точностью 0,001 сек. С 1961 ведутся синхронные (одновременно из разных мест) астрометрические наблюдения высоких искусственных спутников Земли, позволяющие по-новому решать некоторые задачи геодезии (спутниковой геодезии).

Визуальные наблюдения на рефракторе с позиционным микрометром теперь ограничиваются измерениями тесных двойных звезд с целью изучения их орбитального движения. В этой области в 19 в. большой вклад сделали пулковские астрономы В. Я. и О. В. Струве. Микрометрические привязки к опорным звездам малых планет и комет, широко распространенные в 19 в., а также измерения на диске Луны с помощью почти всюду заменены фотографическими измерениями. Точные измерения двойных звезд и звездных диаметров осуществляют с помощью интерферометров; этот метод успешно применяется и в радиоастрономии для определения угловых размеров источников радиоизлучения. Большая работа по изучению фигуры Луны, либрации Луны, а также по измерениям фотографий ее поверхности ведется на Главной астрономической обсерватории АН УССР в Киеве и на Астрономической обсерватории им. В. П. Энгельгардта близ Казани.

Лит.: Идельсон Н. И., Фундаментальные постоянные астрономии И геодезии, в кн.: Астрономический ежегодник СССР на 1942 г., М.—Л., 1941; Зверев М. С., Фундаментальная астрометрия, в кн.: Успехи астрономических наук, т. 5—6, М.—Л., 1950—54; Дейч А Н., Основы фотографической астрометрии, в кн.: Курс астрофизики и звездной астрономии, т. 1, М.—Л., 1951; Куликов К. А, Фундаментальные постоянные астрономии, М., 1956; его же, Изменяемость широт и долгот, М., 1962; Астрономия в СССР за сорок лет. 1917—1957. Сб. ст., М., 1960; Подобед В. В. (ред.), Фундаментальные постоянные астрономии, М., 1967; Загреб и н Д. В., Введение в астрометрию, М.—Л., 1966: Развитие астрономии в СССР (Советская наука и техника за 50 лет. 1917—1967), М., 1967; Бакулин П. И., Блинов Н. С., Служба точного времени, М., 1968: Woolard Е. ., Clemence G. М., Spherical astronomy. . .—L., 1966.

М. С. Зверев.

		Новости 22.12.2024 15:36:22

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.