Редукция Астрографического каталога "Карты неба" Куимов, Константин Владиславович

Введение к работе

Актуальность и цель работы

Современная стандартная система астрономических координат (International Celestial Reference System, ICRS) в оптическом диапазоне представлена каталогом Hippar-cos [1]. Однако этот каталог не решает задачи координатного обеспечения астрономических исследований. Он содержит в основном яркие звёзды, большей частью до 9.5^т. Предметом интереса астрономов в настоящее время являются намного более слабые объекты, часто слабее 20. Динамический диапазон существующих фотоприемников, даже фотоэлектрических, недостаточен для успешного одновременного наблюдения звёзд Hipparcos'a и исследуемых объектов.

Существует и другая трудность, также вытекающая из большой разности в блеске звёзд астрометрического каталога и исследуемых объектов — малое поле зрения больших телескопов. В поле размером даже в 1 найдется в среднем лишь менее трех звёзд каталога Hipparcos, что недостаточно для точного определения координат. Следствием является необходимость использовать различные методы двухступенчатой и даже трехступенчатой привязки, неизбежно снижающие точность определения координат.

Рассмотрим кратко, в какой степени существующие астрометрические каталоги (помимо каталога Hipparcos) обеспечивают привязку наблюдений к стандартной системе координат. Мы имеем в виду каталоги ACRS [2] и РРМ [3, 4]. При их формировании использованы все астрометрические данные, доступные к концу 80-х гг. Каталоги содержат 320 211 звёзд и 378 910 звёзд соответственно, в них вошли большинство звёзд до 9.5^т. Эти каталоги значительно превышают Hipparcos по объему, но содержат лишь ненамного более слабые звёзды. Уже хорошо известно (см., например, [13, 14, 15]), что ACRS и РРМ отягощены значительными систематическими ошибками, особенно в собственных движениях звёзд. Заметим еще, что положения и собственные движения звёзд в этих каталогах отнесены к системе FK5, не являющейся в настоящее время стандартной.

Таким образом, необходимо создание астрометрического каталога, позволяющего определять координаты любых исследуемых объектов непосредственно в стандартной системе координат. Такой каталог должен содержать положения и собствен-

ные движения большого числа как можно более слабых звёзд. Подчеркнем важность высокой точности собственных движений. Чем больше эта точность, тем более долговечным будет каталог.

В последние 10-15 лет выполнены фотографические обзоры неба, обработка которых позволит получить координаты десятков миллионов звезд. Существуют и другие современные высокоточные наблюдения координат звезд. Чтобы создать на основе этих наблюдений астрометрический каталог, необходимо определить собственные движения всех или некоторых из этих звезд. Для определения собственных движений необходимо привлечь наблюдения ранней эпохи.

Такие наблюдения были сделаны в конце прошлого и начале нашего века астрономами разных стран, осуществившими первый в истории астрономии фотографический обзор "Карта неба" (Carte du Ciel). На международном конгрессе в 1887 г., собранном для организации наблюдений, были поставлены две задачи: изготовить фотографические карты неба с изображениями звёзд приблизительно до 14^т и создать каталог звёзд до 11^т, содержащий их координаты и оценки яркости. Карты были изготовлены не для всего неба и имеют в настоящее время ограниченное применение. Каталог создан для всего неба. Он опубликован в трудах 19 обсерваторий, принимавших участие в работе и содержит в общей сложности 254 тома. Для карт и каталога фотографировались различные пластинки, с разными выдержками. Угловой размер поля зрения, внутри которого производились измерения положений звёзд, составлял 2.1 х 2.1. Всего для каталога сфотографировано 22652 пластинки. Первая пластинка сфотографирована 8 августа 1891 г. в Ватикане, последняя — 8 декабря 1950 г. в Юккле. Большая часть (90%) наблюдений выполнена до 1920 г., т.е. разность эпох с современными наблюдениями составляет 70-90 лет.

Опубликованные результаты мы будем называть Астрографическим каталогом (АК). АК содержит измеренные на пластинках прямоугольные координаты и оценки яркости свыше 8.6 миллионов изображений звёзд. Предельная величина звёзд в АК -- приблизительно 12^т. Большинство звёзд сфотографировано на двух пластинках, так что общее число звёзд в каталоге — свыше 4.5 миллионов. Заметим, что, если не учитывать современные обзоры, наблюденные на телескопах Шмидта, объем АК

в несколько раз превышает все остальные каталоги звёзд, вместе взятые.

АК не содержит экваториальных координат звезд. Следовательно, при его использовании для формирования астрометрического каталога необходимо выполнить его редукцию, т.е. приведение координат звёзд в современную координатную систему.

В качестве современной эпохи может быть использован какой-либо из современных обзоров, наблюденных на телескопах Шмидта. В настоящее время (1997 г.) существует только один полностью завершенный "фотографический обзор, содержащий все звёзды АК и охватывающий все небо — Каталог гидировочных звёзд для космического телескопа им. Хаббла [5]. Однако использовать его можно только после исследования и учета систематических ошибок, специфичных для телескопа Шмидта.

Итак, для создания астрометрического каталога требуется решить две сложные предварительные задачи. Первой из них является редукция наблюдений АК в современную координатную систему. Второй задачей является изучение систематических ошибок, присущих телескопу Шмидта при использовании его для позиционных наблюдений.

Решению первой из этих задач и посвящена настоящая работа. Подчеркнем, что редукция первой и второй эпох представляет собой две отдельные задачи. Действительно, наблюдения выполнены на телескопах, не имеющих почти ничего общего. В первом случае идет речь о редукции, никогда ранее в полном объеме не выполнявшейся, во втором — о новой редукции, более точно учитывающей систематические ошибки по сравнению с уже выполненной.

Актуальность работы состоит в обеспечении возможности создания астрометрического каталога, который будет обладать следущими характеристиками:

объем - свыше 4 млн. звёзд (100 звёзд на квадратный градус), что на порядок превышает объем ACRS или РРМ,

полнота - все звёзды приблизительно до 11^т — 12^т (в зависимости от зоны склонений). Этот предел на 2^т — 3 больше, чем предел ACRS или РРМ,

точность собственных движений звёзд - (0.0025 -f 0.0030)"/год, что в 1.5-2 раза

лучше, чем в ACRS или РРМ.

Целью работы является редукция измерений Астрографического каталога (основного результата предприятия "Карта неба") в современную координатную систему ICRS. Основной задачей при этом является исследование и учет систематических ошибок, присущих разным зонам Астрографического каталога.

Научная новизна работы состоит в проведении редукции всего Астрографического каталога в современную стандартную координатную систему ICRS. Главной частью работы является полное исследование систематических ошибок всего АК, которое выполнено впервые и при этом по единой методике. Обнаружены ошибки неизвестных ранее видов, имеющие значительную величину.

Новым является также метод трехступенчатой редукции, описанный ниже, и метод программного отождествления звёзд в различных каталогах, примененный в нашей работе.

На защиту выносятся:

1. Исследование систематических ошибок Астрографического каталога. При этом
показано, что в наблюдениях существуют как известные, так неизвестные ра
нее систематические ошибки. Совокупность систематических ошибок может
быть описана не менее чем 17 параметрами редукционной модели. Главными
результатами исследования являются:

доказательство существенно разного характера систематических ошибок в наблюдениях разных обсерваторий;

открытие периодической ошибки типа двумерного рэна в наблюдениях большинства обсерваторий;

установление факта, что в наблюдениях некоторых обсерваторий уравнение блеска не может быть объяснено обычными причинами (атмосферная дисперсия, кома объектива и т.п.),

2. Метод редукции Астрографического каталога в систему Hipparcos, состоящий
из трех этапов:

на первом этапе проводится редукция с линейной моделью Тернера. На основе анализа остаточных уклонений и предположений о влиянии физических факторов строится модель, учитывающая эти факторы,

на втором этапе проводится редукция с новой моделью. Исследуется зависимость параметров новой модели от условий наблюдений и свойств инструментов. Наблюдательный материал разделяется на подмножества, внутри которых параметры модели могут быть осреднены,

на третьем этапе проводится редукция с линейной моделью Тернера, причем средние значения параметров модели предыдущего этапа используются для введения поправок за систематические ошибки. Критерием качества учета систематических ошибок является сходимость экваториальных координат звезд, определенных по их изображениям на разных пластинках.

1. Редукция Астрографического каталога в систему Hipparcos. На первых двух этапах редукции в качестве опорного использован каталог ACRS. Каталог Hipparcos использован в качестве опорного на последнем, третьем этапе редукции. Сформированы выходные двух видов: с учетом уравнения блеска и без его учета. Последний предназначен для более подробного исследования уравнения блеска, когда будет разработана новая методика

2. Алгоритм отождествления звёзд двух списков, заданных прямоугольными координатами. Автоматическое отождествление звезд на снимках и в каталогах является необходимой частью любой сколько-нибудь объемной астрометриче-ской работы. Предложенный алгоритм нашел применение и в других исследованиях.

Личный вклад автора

Во всех публикациях, написанных в соавторстве, автору принадлежит часть, связанная с попластиночной редукцией Астрографического каталога и с исследованием систематических ошибок опорного каталога ACRS. В среднем вклад автора в этих

публикациях может быть оценен в 50%. Все программное обеспечение редукции создано автором. Вклад автора в программное обеспечение создания машинночитаемой версии Астрографического каталога может быть оценен в 50%.

Практическая ценность работы заключается в редукции АК в современную стандартную систему координат, что позволяет использовать его в качестве первой эпохи наблюдений для создания современного астрометрического каталога, обеспечивающего непосредственный доступ к стандартной системе координат.

Свидетельством практической ценности работы является ее использование при формировании опорного каталога Тихо ([10]), который превышает существующие астрометрические каталоги по объему более чем вдвое, по точности положений на эпоху J2O0O — не менее чем в три-четыре раза, по точности собственных движений — не менее чем вдвое. Эта работа выполнена совместными усилиями ГАИШ, Астрономического вычислительного института в Гейдельберге (Германия), обсерватории Копенгагенского университета (Дания), Лундской обсерватории (Швеция). Каталог помещен в международный центр астрономических данных в Страсбурге (Франция) под номером 1/250.

Результаты работы могут быть использованы при любых позиционных наблюдениях относительным методом в ГАИШ, ГАО РАН (Пулково), Институте астрономии РАН (Москва).

Апробация работы

Результаты работы докладывались на заседаниях Совета по астрометрии ГАИШ, на международном коллоквиуме по международной кооперации по распространению астрономических данных в июле 1996 г. в Петербурге, на съезде Астрономического общества в ноябре 1997 г. в Москве, на заседании Ученого совета ГАИШ в апреле 1998 г., на конференциях "Ломоносовские чтения" в Московском Университете в 1997 и 1998 гг.

Публикации по теме диссертации

1. К.В.Куимов. Выбор опорного каталога для редукции Астрографического каталога. Астрономический журнал, 1997, т. 74, N 3, с. 342-347.

2. К.В.Куимов, А.В.Кузьмин, В.В.Нестеров. Редукция Астрографического каталога в систему Hipparcos/ICRS. Известия РАН, серия физическая, 1998, т. 62 N. 10, с. 1780-1787

3. К.В.Куимов. Составление машинночитаемой версии Астрографического каталога. О четырехмиллионном каталоге звёзд. 1992. Издательство Московского Университета, с. 27-36.

4. K.V.Kuimov, A.V.Kuzmin, V.V.Nesterov. Completion of the "Carte du Ciel" As-trographic Catalogue project of the Sternberg Astronomical Institute. Baltic Astronomy, 1997, V. 6, No. 2, p. 290-295.

5. E.H0g, A.Kuzmin, U.Bastian, CFabricius, K.Kuimov, L.Lindcgren, V.V.Makarov, and S.Roser. The Tycho Reference Catalogue. Astronomy and Astrophysics, V. 335, p. L65, 1998. CDS Number: 1/250

6. Kuzmin A., Nesterov V., Gulyaev A., Kuimov K., Sementsov V., Bastian U., Roser S. 1996, Completion of the Sternberg Astronomical Institute Astrographic Catalogue Project, In: McLean В., Golombek D., Hayes J., Payne H. eds., IAU Symposium 179 "New Horizons from Multi-Wavelength Sky Surveys", Kluwer Academic Publishers, p. 409.

7. A.Kuzmin, U.Bastian, E.H0g, K.Kuimov, S.Roser. Tycho Reference Catalogue: Pilot project results. Proceeding of the Symposium "Hipparcos - Venice 97", 13-16 May, Venice, Italy. ESA SP-402 (July 1997). p. 125.

8. Куимов K.B., Кузьмин A.B., Нестеров В.В. Редукция Астрографического каталога в систему ICRS/Hipparcos. Труды IV съезда Астрономического общества, 1998, М., Современный писатель, с. 89-95.