Проект HIPPARCOS

Вс, 07/20/2014 - 20:05

Радиоастрометрия

Впервые существенное увеличение точности позиционных измерений небесных тел удалось получить методом радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (метод РСДБ), предложенным в нашей стране.


Точность звездных расстояний. Результат получен по проекту HIPPARCOS.
(иллюстрация из каталогов HIPPARCOS и Tycho)

По проекту HIPPARCOS было произведено более 100000 наблюдений за звездами
(иллюстрация из каталогов HIPPARCOS и Tycho)

По проекту HIPPARCOS было произведено более 100000 наблюдений за звездами
(иллюстрация из каталогов HIPPARCOS и Tycho)

В простейшем случае радиоинтерферометр — это система из двух радиотелескопов, ведущих синхронные наблюдения одного и того же точечного радиоисточника. Этот прибор измеряет временную задержку прихода фронта волны радиоизлучения на один телескоп по сравнению с другим. Анализ измерения задержек позволяет получить географические координаты радиотелескопов, небесные координаты наблюдаемых радиоисточников, а также тонкие эффекты во вращении Земли — движение полюсов в ее теле и неравномерность вращения. Точность этих измерений определяется длиной базы интерферометра, то есть расстоянием между телескопами, и длиной волны принимаемого радиоизлучения. В 70-90-х годах во всем мире развернулись работы по созданию радиоинтерферометрических сетей, с помощью которых удалось достичь точности позиционных наблюдений квазаров порядка 0.001-0.0005 секунды дуги. (В нашей стране такие работы ведутся в рамках проекта КВАЗАР, для осуществления которого в Санкт-Петербурге был создан Институт Прикладной Астрономии Российской Академии Наук). Все это позволило создать систему отсчета принципиально нового типа — теперь вместо звезд стали использоваться, в основном, квазары, координаты которых были получены на миллисекундном уровне точности. Новая, радиоастрометрическая система отсчета позволила на новом уровне изучать явления, происходящие на Земле: особенности ее вращения, движение материков, тектонику плит. Как известно, квазары — это космологические объекты, удаленные от нас на предельные расстояния. Возникла парадоксальная ситуация: квазары, находящиеся «на краю» Вселенной, позволили изучать то, что находится непосредственно у нас под ногами, то есть нашу Землю, но закрыли возможность исследования звезд, поскольку, за исключением очень малого количества так называемых радиозвезд, подавляющее их число не являются источниками радиоизлучения и, следовательно, не могут быть привязанными к системе отсчета, построенной на радиоисточниках.

Недостатки, присущие двум типам систем отсчета — низкая точность классических наземных астрометрических наблюдений и недоступность радиоастрометрической системы отсчета в оптическом диапазоне, — удалось преодолеть только методами космической астрометрии, то есть проведениями астрометрических измерений в оптическом диапазоне в космосе.

Новая система отсчета

...И вот в космос ушел HIPPARCOS. Нужно сказать, что первые недели его полета оказались воистину драматичными. Дело в том, что из-за технических неполадок спутник вышел не на расчетную геостационарную орбиту, а на так называемую промежуточную орбиту. Несмотря на все предпринятые усилия, его пришлось оставить на этой, кстати говоря, очень неудобной для наблюдений орбите. Чтобы как-то компенсировать неудобства орбиты, пришлось оперативно переделать систему наземного обеспечения проекта. Специалисты Европейского Космического Агентства довольно быстро справились с этими проблемами, и первые наблюдения начались уже в ноябре 1989 года. Они продолжались до августа 1993 года. За это время вся запланированная программа наблюдений была успешно выполнена.

Но построить по этим наблюдениям новую «космическую» систему отсчета еще было нельзя. Дело в том, что HIPPARCOS измерял с большой точностью только угловые расстояния между звездами. Как известно, длины дуг на сфере не зависят от того, в какой системе координат даны положения звезд. Возникла новая задача — надо было получить координаты звезд в какой-нибудь стандартной системе астрономических координат. В качестве такой стандартной системы было решено использовать систему отсчета, построенную на квазарах. И вновь возникли трудности: телескоп на спутнике HIPPARCOS мог наблюдать только один, самый яркий, квазар 3C273, а остальные квазары HIPPARCOS просто не видел. И тут на помощь пришли другие инструменты. Первым откликнулся Космический Телескоп Хаббла — едва оправившись от своих аберрационных проблем, он провел измерения дуг между звездами и некоторыми квазарами. В эту работу включились и наземные телескопы, с помощью которых были измерены положения и собственные движения радиозвезд. Кроме того, для решения поставленной задачи были использованы длительные ряды наблюдений параметров ориентации Земли, а также программы определения собственных движений звезд, «абсолютизированных» относительно галактик. Словом, все силы наземной и космической астрометрии были брошены на создание новой системы отсчета, которая, по решению Генеральной Ассамблеи Международного Астрономического Союза, была введена во всеобщее пользование в качестве стандарта с 1 января 1998 года. Старая система, основанная на фундаментальном каталоге FK5, ушла в прошлое.

Не только успех астрометрии

Не следует думать, что реализация проекта HIPPARCOS — это только внутренний успех астрометрии. После того, как каталоги HIPPARCOS и TYCHO были опубликованы — а это 16 томов полного описания проекта + 6 компакт-дисков + специализированный диск CELESTIA 2000, содержащий каталоги и программное обеспечение для их чтения, — на страницы научных журналов хлынул поток работ, выполненных в различных областях астрономии. Вот заголовки некоторых статей: «Оценки масс планет, вращающихся около ближайших звезд», «Красивое подтверждение общей теории относительности», «Диаграмма Герцшпрунга-Рессела и теории звездной эволюции», «Навигация аппарата Галилео», «Гиады: расстояние, структура, динамика, возраст».

Огромное число статей посвящено уточнению шкалы расстояний во Вселенной. Объясняется это тем, что, пожалуй, наибольшей ценностью для астрономии является то, что на спутнике HIPPARCOS были измерены параллаксы около 100000 звезд! Вспомним, что параллакс звезды — это угол, под которым с этой звезды видна большая полуось орбиты Земли. Межзвездные расстояния в астрономии принято измерять парсеками. Расстояние в один парсек соответствует параллаксу, равному 1 угловой секунде. Поэтому на самом деле HIPPARCOS измерял не только угловые расстояния между звездами на небесной сфере, но и реальные расстояния между звездами в трехмерном пространстве. В астрономии не существует универсального метода измерения расстояний до небесных объектов. По мере перехода ко все более удаленным телам один метод сменяет другой. Так, расстояния между планетами измеряются с помощью радиолокации. Межзвездные расстояния вплоть до 100 парсеков раньше измеряли с помощью тригонометрических параллаксов (HIPPARCOS отодвинул эту границу до 1000 парсеков). Вплоть до расстояний в миллион парсеков (1 мпк) используется метод цефеид. Еще более далекие объекты — галактики и квазары — удалены от нас на сотни и тысячи мегапарсеков. Такие расстояния измеряются по красному смещению и требуют знания постоянной Хаббла. Естественно думать, что при передаче эстафеты от одного метода другому каждый из «старших» методов должен быть проверен с помощью «младшего» метода. Для этого должны существовать области перекрытия, в которых можно применять по крайней мере два метода.

Однако в сфере радиусом 100 парсеков нет ни одной цефеиды (одна из ближайших к нам цефеид — это Полярная звезда, она удалена от нас на 122 парсека). Поэтому до реализации проекта HIPPARCOS шкала измерений, основанная на цефеидах, не была согласована с результатами прямых измерений до звезд методами тригонометрических параллаксов. Теперь ситуация изменилась! Шкала цефеид была уточнена, на основании чего было сделано заключение о том, что принятое в настоящее время значение постоянной Хаббла должно быть уменьшено на 5-10 процентов.

А что же дальше?

Имеет ли космическая астрометрия будущее? Конечно, да. Сейчас во многих странах ведутся работы по созданию новых проектов астрометрических измерений из космоса. В России имеются два таких проекта — ЛОМОНОСОВ и СТРУВЕ, подготовленные соответственно астрономами Государственного Астрономического Института имени Штернберга в Москве и астрономами Пулковской обсерватории в Санкт-Петербурге. Сейчас трудно сказать, будут ли эти проекты реализованы. Более вероятным представляется осуществление приблизительно в 2009-2014 гг. силами Европейского Космического Агентства проекта GAIA (GLOBAL ASTROMETRIC INTERFEROMETER for ASTROPHYSICS). Целью этого проекта является измерение координат, собственных движений и параллаксов для 50 миллионов звезд с точностью лучше, чем 10 микросекунд дуги. Это позволит решать задачи принципиально нового характера — мы промерим на 10-процентном уровне точности расстояние до центра нашей Галактики, появятся новые возможности тестирования альтернативных теорий гравитации. По-видимому, самым захватывающим является перспектива глобального обзора области радиусом 100-200 парсеков с целью поиска планетных систем вокруг звезд.

HIPPARCOS в Интернете

Жизнь проекта HIPPARCOS продолжается и после завершения работы спутника на орбите. Все, что связано с использованием новых космических каталогов, отражено в Интернете. Посетите домашнюю страницу проекта (www . rssd . esa . int ) — и Вы увидите и узнаете много интересного. Здесь можно получить сведения о «рекордсменах» каталогов HIPPARCOS и TYCHO, то есть о самых близких, самых ярких, самых быстрых звездах. Здесь можно увидеть «стереоскопические» изображения звезд Большой Медведицы, относительные перемещения звезд — их собственные движения, анимационные изображения движения звезд в скоплении Гиады и много-много других сведений, одинаково интересных как любителям астрономии, так и тем, кто занимается астрономией профессионально.

Другие материалы рубрики


  • Судя по многочисленным публикациям, посвященным современной астрофизике, она находится на подъеме. Положение дел даже сравнивают с революционной ситуацией, сложившейся в физике в начале прошлого века. Но если тогда истина рождалась в спорах, сейчас новые понятия проникают в астрофизику практически без сопротивления. При этом ключевые положения старой теории, вместо того, чтобы обрести окончательную ясность, заменяются наборами гипотез. Современный астрофизик подробно объяснит, что такое космологический вакуум или антигравитация, но на вопрос о происхождении галактик даст расплывчатый ответ, включающий несколько возможных сценариев.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...Несмотря на то, что идея коллапса кажется простой (при сжатии ядра выделяется энергия гравитационной связи, за счет которой выбрасываются внешние слои вещества), трудно понять процесс в деталях. В конце жизни у звезды с массой более 10 масс Солнца образуется слоеная структура, с глубиной появляются слои все более тяжелых элементов.
    Ядро состоит в основном из железа, а равновесие звезды поддерживается квантовым отталкиванием электронов.
    Но в конце концов масса звезды подавляет электроны, которые вжимаются в атомные ядра, где начинают реагировать с протонами и образовывать нейтроны и электронные нейтрино. В свою очередь, нейтроны и оставшиеся протоны прижимаются друг к другу все сильнее, пока их собственная сила отталкивания не начнет действовать и не остановит коллапс.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Наблюдая и изучая особенности Млечного Пути, астрономы долгое время не могли понять общую структуру и историю нашей Галактики. До 1920 г. ученые не были уверены, что Галактика — отдельный объект, один из миллиардов подобных. К середине 50-х гг. они наконец составили план Галактики, представляющий собой величественный диск из звезд и газа. В 60-х гг. теоретики считали, что наша Галактика сформировалась на раннем этапе космической истории — по новейшим оценкам, около 13 млрд. лет назад — и с той поры не претерпевала существенных изменений.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Космические фонтаны из водяного льда, пара и смеси других веществ, поднимающиеся над равнинами луны Сатурна, давно интригуют специалистов. Не хотят сходиться уравнения, описывающие энергетику этого мира, столь удаленного от Солнца. Однако все встает на свои места, если учесть новое открытие: волнующая активность Энцелада по геологическим меркам — мимолетный эпизод.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Уже очень скоро сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики украсит красочный венец из молодых и ярких звезд. Следы метилового спирта в огромном газовом кольце вокруг нее означают, что в нем уже формируются массивные звезды. Раньше астрономы думали, что черная дыра образованию звезд может помешать.
    В центрах большинства галактик, особенно крупных, находятся сверхмассивные черные дыры, весящие миллионы и даже миллиарды солнечных масс — куда больше тех, что возникают в конце эволюции звезд. Судя по всему, эти объекты зародились еще в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, и с тех пор лишь росли, постепенно нагуливая массу и освещая свои вселенские окрестности ярким светом активности галактического ядра

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Никто пока не определил, всякая ли звезда в Галактике окружена другими планетами, либо Солнце является исключением из данного правила. За последние 9 лет астрономы при наблюдении за колебательными движениями звезд, которые вызваны воздействием, оказываемым на них планетами, обнаружили сотни таких планет. Но этот метод помогает фиксировать лишь самые массивные планеты, находящиеся неподалеку от звезд. Так можно обнаружить Юпитер, Сатурн в Солнечной системе, но мелкие тела (кометы, астероиды, планеты земного типа), делающие Солнечную систему такой разнообразной, астрономы бы не смогли найти, используя эти методы наблюдения.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • О спонтанном возникновении вещества из пустого пространства говорят как о рождении “из ничего”, которое близко по духу рождению ex nihilo в христианской доктрине. Для физики пустое пространство совсем не “ничего”, а весьма существенная часть Вселенной, а мысль о рождении самого пространства может показаться вообще странной. Однако в каком-то смысле это все время происходит вокруг нас. Расширение Вселенной есть не что иное, как непрерывное “разбухание” пространства. С каждым днем доступная современным телескопам область Вселенной возрастает на 1018 кубических световых лет. Здесь полезна аналогия с резиной. Если упругий резиновый жгут вытянуть, его “становится больше”. Пространство напоминает суперэластик тем, что оно, насколько известно физикам, может неограниченно долго растягиваться не разрываясь. Растяжение и искривление пространства напоминает деформацию упругого тела тем, что “движение” пространства происходит по законам механики точно так же, как и движение обычного вещества. В данном случае это законы гравитации. Квантовая теория в равной мере применима как к веществу, так и к пространству и к времени.
    Действительно, благодаря собственной физической природе Вселенная возбуждает в себе всю энергию, необходимую для “создания” материи — это есть космический бутстрэп (bootstrap — в переводе “зашнуровка”, в переносном смысле — отсутствие иерархии в системе элементарных частиц).



  • Галактика, в которой мы живем, — Млечный Путь — настоящий исполин по галактическим меркам. Среди галактик местной группы лишь Туманность Андромеды может тягаться с нашим домом по количеству звезд, размерам и массе. Однако сферы влияния гигантов давно поделены, и нашу галактику окружают десятки, а может, и сотни галактик-спутников.
    Сейчас известны по крайней мере 23 спутника нашей галактики. Некоторые из них светятся, как миллиарды солнц, и жителям Южного полушария нашей планеты отлично знакомы Магеллановы облака — крупнейшие спутники нашей Галактики, не заметить которые на ночном небе невозможно даже невооруженным глазом.



  • Теория эволюции звезд основана на диаграмме «спектр-светимость». Спектр звезды связан с температурой ее поверхностных слоев, светимость — это количество световой энергии, излучаемой звездой в единицу времени. По оси абсцисс откладывается последовательность спектральных классов, по оси ординат — светимость. Звезды Галактики изображаются на диаграмме точками. Точки могли бы расположиться как попало, могли бы сгуститься к одной линии. Но они сгущаются к нескольким линиям и областям, из которых выделяются пять. Им соответствуют группы звезд: звезды главной последовательности, субкарлики, красные гиганты, сверхгиганты, белые карлики. Сопоставляя диаграммы «спектр-светимость», составленные для различных звездных скоплений, можно с уверенностью утверждать, что звезды главной последовательности на определенном этапе эволюции превращаются в красные гиганты. Из диаграмм также видно, как это происходит: температура звезды начинает уменьшаться, размеры и светимость, наоборот, увеличиваются. Через некоторое время температура опять начинает расти. Скорость эволюции определяется начальной массой звезды.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...В начале 70-х годов появилось предложение объединить бозоны и фермионы в единую теорию, что, мягко говоря, среди ученых вызвало недоумение, ведь столь различны по своим свойствам эти две группы частиц. Тем не менее, оно возможно, если обратиться к симметрии, более широкой, нежели симметрия Лоренца — Пуанкаре, лежащая в основе теории относительности. Математическая суперсимметрия соответствует извлечению квадратного корня из симметрии Лоренца — Пуанкаре, физически же она соответствует превращению фермиона в бозон и наоборот. Разумеется, в реальном мире невозможно проделать такую операцию, тем не менее, операцию суперсимметрии можно сформулировать математически и можно построить теории, включающие суперсимметрии...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4