Введение к работе
Диссертация посвящена решению двух основных наблюдательных задач астрометрии.
Первая задача — расширение Внегалактической Системы Координат (ВСК) на оптический диапазон, т.е., по существу, независимое новое построение ВСК. в которой сферические координаты звезд и скорости их изменения будут определены с миллисекундной точностью, при этом блеск и показатель цвета (спектральный класс) будут с высокой точностью измерены в строго определенной фотометрігческой системе в видимом диапазоне спектра. Для такого построения ВСК автором предложено устройство двух-телескопного ігнетрумента, устанавливаемое на борту ИСЗ и оснащаемое системой наведеній и регистрации звездных прохождений.
Вторая задача — определение параллаксов звезд, — связана с первой. Для ее решения автором разработан метод, сходный с методом геодезической триангуляции и предназначенный для определения расстояний до близких (в пределах 1 Кпс) звезд с помощью инструментов Межпланетной Солнечной Стереоскопической Обсерватории (МССО) [1]. Предложенный вариант компоновки астрометрических приборов, устанавливаемых на борту двух космических аппаратов МССО, позволяет совместить решение задач физики Солнца с определением параллаксов звезд и параллактических углов для тел Солнечной системы, а также выполнить наблюдения для решения ряда других задач астрономии, включая наблюдения явлений микролинзи-рования.
Работа выполнена в Главной астрономической обсерватории РАН в рамках проектов АИСТ-СТРУВЕ и СТЕРЕОСКОП-А на основе анализа некоторых результатов уже проведенных в Mirpe космических экспериментов, и анализа тенденций развития этих и других проектов в области космической астрометрии. Автором проведено моделирование процессов регистрации прохождений звездных изображений в фокальной плоскости с помощью ПЗС-мозаики и предложены в соавторстве научно обоснованные решения основных проблем двух вышеназванных проектов
Актуальность работы. Достижение миллисекундного уровня точности определения сферических координат радиоисточников, получаемых из наземных РСДБ-наблюдений, и достижение сантиметрового уровня точности определения расстояний, выводимых из наблюдений средствами лазерного зондирования Луны и спутников Земли, привели к существенным изменениям в решешш проблемы построения фундаментальной системы координат и связанной с нею проблемой определения расстояний до небесных объектов.
Точность наблюдений с помощью новых средств за последние 15-20 лет на два порядка превзошла точность прежних фотовизуальных методов. Этот результат и устойчивая тенденция улучшения точности астрометрических положений в новых каталогах радиоастрономических объектов, а также результаты наблюдений с космическим инструментом Hipparcos легли в основу решений MAC, рекомендующих построить ВСК на миллисекундном уровне точности и распространить ее на оптический диапазон. Резолюции XXI и XXII Генеральных Ассамблей MAC определяют построение ВСК как основную проблему, необходимость решения которой поддержана Комиссиями MAC №№ 4, 8, 20, 41 [2], а технические решения которой подготовлены.
Совпадение положений радиоисточников в первых РСДБ-каталогах и согласие теорий движения ИСЗ и Луны с данными измерений их дальностей методом лазерного зондирования использованы при создании международной земной опорной системы IERS (International Earth Rotation Service) [3] для определения параметров вращения Земли. В дальнейшем длительные ряды РСДБ-наблюдений обработаны [4] для создания собственно ВСК, или Международной Небесной Опорной Системы (International Celestial Reference Frame, ICRF), которая, в соответствии с резолюцией JD7 N1 XXIII Генеральной Ассамблеи МАС в Киото от 20 августа 1997 года заменяет систелгу FK5 с 1 января 1998 года. Оптическим аналогом ICRF — по той же резолюции MAC — назначается каталог Hipparcos, представляющий систем}' ICRF в оптическом диапазоне. Оси системы ICRF не связаны более с экватором и эклиптикой, а фиксированы относительно системы направлений на 608 квазаров (наиболее компактные 212 из них имеют среднюю неопределенность положения в 0.4 mas [5]), распределенных по всему небу со средней плотностью 1 квазар на 68 кв. град.
Столь низкая, к тому же неравномерная, плотность собственных носителей системы и практическая невозможность в большинстве случаев прямо воспользоваться их координатами является ее основным недостатком, преодолеть который лучше всего уплотнением системы путем распространения ее на звезды. Степень уплотнения определяется требованиями современных основных средств исследований, охватывающих диапазон звездных величин до яркостей 22 - 25т, и составляет, по умеренным оценкам, 1 объект опорной системы на 1 кв. минуту. Это означает, что система должна быть уплотнена в я 2.44 х 105 раз, считая за исходную плотность, образуемую 608 квазарами. Таким образом, проблем}' следует трактовать как необходимость выполнить независимое установление ICRF или ВСК в оптическом диапазоне, включив в программ}' наблюдений все доступные оптическим наблюде-
нігям квазары. При этом опорная система должна быть равномерно представленной в любой исследуемой части неба и должна содержать * 1.5 х 10 звезд. Речь поэтом}-, должна идти о новом независимом построении ВСК с опорой на слабые объекты оптического диапазона яркостью до 18 и имеющие, в отличие от квазаров, заметные собственные движения. Каталоги Hipparcos и Tycho лишь частично решают эту проблему, поскольку, во-первых, они распространены на звезды не слабее 12.7"', и. во-вторых, плотность каталога Hipparcos по вышеупомянутым требованиям должна быть увеличена приблизительно в 1200 раз — с 3-х звезд на квадратный градус до 3600. Кроме того, остается проблема преодоления ограниченности электронных средств регистрации изображений, следствием которой может стать двух- или трехступенчатость опорной системы.
Наилучшим путем для распространения ICRF на объекты видимого диапазона излучения будет, по-видимому, применение орбитальных средств в оптимальном сочетании с наземными средствами наблюдений и их обработки. Построение оптимальных способов наведения космического аппарата и режимов автоматического управления сбором и обработкой данных, получаемых с помощью специально изготовленных телескопов, оснащенных электронными средствами регистрации изображений, может и должно заканчиваться разработкой специализированных ИСЗ. Опыт первого выполненного в орбитальных условиях метрологически строгого эксперимента Hipparcos свидетельствует об определяющей роли в этом поиске специалистов-астрономов, — роли в выборе научных задач, в создании концепции и модели эксперимента, в обосновании инструментальных и компоновочных решений. Эта роль определяется также и тем, что редукция собранных данных эксперимента не может быть произведена без цифровой рабочей модели инструмента и без извлечения параметров движения космического аппарата (КА) и целевых параметров проекта из единой системы уравнений.
Проект АИСТ-СТРУВЕ, концепция которого предложена в 1986 году — за 2.5 года до запуска ИСЗ Hipparcos, преследует цель построения обширного каталога по идеологии ВСК. При удаче такого проекта его результатом непременно станет также Электронная Цифровая Карта Неба (ЭЦКН) как электронный аналог «Carte d'u Ciel». Оснащенная средствами доступа база данных подобного эксперимента в виде банка данных, содержащего метрические изображения площадок, покрывающих все небо, непременно будет создана в астрономии и будет играть важную роль в исследованиях XXI века. В Морской Обсерватории США уже реализуется наземный вариант ЭЦКН для южного неба [6]. Однако точность астрометриче-
ских и фотометрических характеристик звезд в наземном варианте значительно уступают их аналогам в варианте космическом.
Определение параллаксов в проекте АИСТ-СТРУВЕ производится по классической методике, примененной в проекте Hipparcos, и планируемой в проекте GAIA. Вывод параллакса по этой методике становится возможным из минимум двух наблюдений объекта, выполняемых с интервалом в полгода. При этом параллакс звезды выводится из системы уравнений, объединяющей все наблюдения, на конечной стадии уравнивания, как один из пяти астрометрических параметров данной звезды.
В проекте Межпланетной Солнечной Стереоскопической Обсерватории (МССО), предложенном в 1993 году [1], появляется возможность определения параллакса из синхронных наблюдений методом прямой триангуляции с исключением эффектов, обусловленных движением как наблюдателя, так и
объекта наблюдения. Этот же метод с базой, равной , где а — астрономическая единица, позволяет эффективно определять расстояния до всех детектируемых измерительной аппаратурой КА тел Солнечной системы.
Кроме того, при достаточном разрешении аппаратуры в рамках проекта МССО возможно вести эффективные наблюдения явлений микролинзиро-вания.
Таким образом, задача обоснования и разработки специальных средств и методов наблюдений в орбитальных условиях для построения ВСК, для определения положений тел Солнечной системы и для определения параллаксов близких звезд является актуальной и поэтому поставлена в настоящем диссертационном исследовании.
Цель диссертации состоит в научном обосновании программ экспериментов, в подготовке решений для выбора научно-технического облика измерительных средств, в моделировании отдельных процессов, реализация которых необходима для выполнения астрономических наблюдений на борту ИСЗ, и в численной оценке точности ожидаемых координатных, фотометрических и временных результатов.
Для достижения цапі диссертации автором
разработан принцип измерительного прибора, устанавливаемого на борту космического аппарата и служащего для измерения угловых расстояний между небесными объектами;
выполнено моделирование процесса регистрации изображений астрономических объектов, получена оценка точности ожидаемых результатов, а также выполнено моделирование динамических свойств КА АИСТ-СТРУВЕ;
построена геометрическая теория обработки наблюдений явления мик-ролинзирования для вывода параметров собственного движения лидирующего объекта _по_ проекту «Межпланетная Солнечная _ Стереоскопическая Обсерватория»;
разработано и научно обосновано (в соавторстве) расширение программы проекта МССО путем включения ряда наблюдательных задач астрометрии и фотометрии, а также задач триангуляции тел Солнечной системы с учетом преимуществ пространственного расположения инструментов МССО;
предложен способ и состав аппаратуры для выполнения автономного ас-троопределения положения КА в проекте МССО.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1). Предложен принцип объединения двух симметричных телескопов в единый измерительный инструмент для выполнения астрономических наблюдений в условиях космоса. Принцип защищен авторским свидетельством на устройство для измерения дуг между небесными объектами, устанавливаемое на борту космического аппарата;
2). Предложена методика использования прибора для наблюдения объектов при систематическом обзоре неба, а также для наблюдений яркого объекта, изображение которого технически невозможно получить в одном кадре с изображениями опорных звезд, с определением его астрометриче-ских параметров;
3). Предложены и обоснованы следующие положения концепции эксперимента АИСТ-СТРУВЕ по фундаментальному обзору неба:
ортогональная (шпггная) схема обзора неба, оптимальная для калибровки аппаратуры, и алгоритм обработки материала наблюдений;
динамика симметрично компонуемого космического аппарата со специально выбранным тензором шіерцпи, с исследованием области устойчивости" движения в поле его геометрических и массовых параметров для осуществления оптимального способа сканирования неба;
трехоконная схема компоновки телескопов для решения задачи разделения звездных полей, повышения проницаемости аппаратуры и для однозначного отождествления объектов по результатам наблюдений;
возможность и необходимость выполнения эксперимента по идеологии Электронной Цифровой Карты Неба с сохранением метрологических свойств обзора, необходимых для построения ВСК;
4). Предложен состав аппаратуры и астрометрическая методика ее использования для решения навигационной задачи по определению пространственного положения КА в автономном режиме;
5). Научно обоснованы программа и компоновочный состав аппаратуры, а также методика ее использования для выполнения фундаментальных астрометрических, фотометрических и триангуляционных наблюдений в условиях эксперимента МССО.
Практическая ценность работы:
-
Автором предложен и в сотрудничестве с соавторами разработан и доведен до окончания стадии эскизного проектирования проект эксперимента по космической астрометрии, который может быть использован Российским Космическим Агентством или другими агентствами. Проект поддержан в ГАО РАН и в других институтах, специализирующихся в области космических исследований — НПО ПМ (г. Красноярск), ЦУП ЦНИИМаш (г. Калининград Московской обл.).
-
Предложенный принцип работы устройства для измерения дут между небесными объектами, устанавливаемого на борту космического аппарата, может использоваться для решения целевых задач проекта и задач выполнения автономного астроопределения положения КА в различных экспериментах, включая МССО.
-
Предложенный принцип разделения объектов в полях зрения, совмещаемых в фокальной плоскости телескопа при сканировании неба, может быть использован в проектах глобальных обзоров неба, имеющих целью высокоточное определение положений небесных объектов, излучающих в едином или в различных диапазонах электромагнитных волн. Например, положения объектов, излучающих в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазонах, могут быть получены в единой системе, построенной в оптическом диапазоне.
-
Предложенный принцип наблюдения ярких небесных объектов, изображения которых невозможно получить одновременно с изображениями значительно более слабых звезд опорного каталога в одной экспозиции, возможно применить для высокоточных астрометрических наблюдений Солнца и ярких планет в орбитальных условиях.
5) Выполненное научное обоснование звездно-астрономических про
грамм для проекта МССО может быть использовано в варианте создания
специализированных КА для производства астрометрических наблюдений
из точек либрации, решающих задачи МССО раздельно.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались в 1989 - 2000 годы в Г АО РАН, на научных семинарах, на Российских и международных конференциях, симпозиумах и коллоквиумах, в том числе:
на семинарах ИМВП (бывший ВНИИФТРИ. Менделеево). кафедры астрономии СПбГУ, в ИТА РАН;
на Симпозиумах MAC № 141 (Пулково, октябрь 1989 г.). № 156 (Шанхайская АО, КНР, сентябрь 1993 г.), № 166 (XXII Генеральная Ассамблея MAC, Гаага, август 1994 г.), № 179 (Институт Космического Телескопа имени Хаббла, Балтимор, Мэрилэнд, США, август 1996 г.), на Коллоквиуме в рамках Комиссии № 5 MAC "International Cooperation in Dissemination of the Astronomical Data". Пулково, июль 1996 г.). на Коллоквиуме 180 MAC (Вашингтон, март 2000 г.);
на Международной астрометрической конференции "Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики" (ИЛА РАН, сентябрь 1996 г.), на IV съезде астрономического общества стран СНГ, (Москва, ГАИШ, ноябрь 1997 г.), на Международной конференции «Проблемы Пространства, Времени и Движения» (Санкт-Петербург, 22 — 26 июня 1998 г.), на Международной конференции памяти Георгия Гамова (Санкт-Петербург, 24-28 августа 1999) и-др.
Публикации » вклад автора. По теме диссертации автором получено авторское свидетельство и опубликованы 20 научных статей и научно-технический отчет о выполнении работ по договору «СТЕРЕОСКОП-2005». утвержденный Ученым Советом ГАО РАН 24 ноября 1998 г. Пятнадцать работ из списка выполнены в соавторстве.
В работах {3, 4, 5, 6, 14, 15} автором осуществлена постановка задачи. выполнена разработка одного из алгоритмов моделирования прохождения изображения звезды по ПЗС-модулго. В остальном участие всех авторов равноправное.
В работах {8, 12} общее руководство осуществлено И.М.Коггыловым, разработка алгоритмов, программирование и расчеты принадлежат И.М.Копылову и Д.Л.Горшанову. Автор сформулировал цели этих работ и принял равное участие в их развитии, в дискуссии и оформлении.
В монографии {9} автором написаны глава 1 и части глав 2, 8, 9. 12. Общее руководство осуществлено И.И.Канаевым. техническое руководство — В.Н.Ершовым, общее редактирование — В.Н.Ершовым, И.И.Канаевым и И.М.Копыловым.
В работах {11, 16} автором сформулирована постановка задачи, во всем остальном вклад всех авторов равноправен.
В работе {19} участие авторов равноправное. В работах {17, 20, 21, 22} автору принадлежит постановка задачи, в остальном участие авторов равноправно. В работе {20} вклад автора состоит в общем руководстве выполнением договора, в разработке системы автономного астроопределения и теории триангуляционных измерений; в остальном участие авторов одинаково.
Вклад автора в развитие проекта АИСТ-СТРУВЕ состоит в предложении и обосновании устройства для измерения дуг, защищенного авторским свидетельством, а также в формировании концепции эксперимента, в оформлении и организации темы АИСТ, в руководстве развитием этой темы с 1989 по 1994 год, а в последующие годы в активном участии в разработке методики позиционных наблюдений из космоса, в разработке телескопа и основных вопросов проекта.
Вклад автора в развитие астрономической части программы МССО состоит в предложении основной концепции расширения научной программы, в участии в разработке вариантов схемы основного и вспомогательного телескопов, в разработке методики применения предлагаемых приборов для навигационных целей. Автор предложил теорию вывода собственного движения линзирующего объекта из наблюдений с инструментами МССО.
На защиту выносятся;
1). Устройство для определения дуг между небесными объектами, устанавливаемое на борту космического аппарата с обоснованием метода сканирования неба по ортогональной схеме с тремя опорными точками, с алгоритмом астрометрической обработки выполняемых наблюдений.
2). Концепция эксперимента для построения Внегалактической Системы Коордашат и Электронно-Цифровой Карты Неба с моделированием работы ПЗС-модуля мозаичного микрометра, с моделью разделения полей в трехоконной схеме компоновки КА АИСТ-СТРУВЕ.
3). Научное обоснование расширения программы МССО за счет программы наблюдений параллаксов звезд и тел Солнечной системы прямым триангуляционным методом; обоснование возможности вьшолнения наблюдений явлений микролинзирования в проекте создания Межпланетной Солнечной Стереоскопической Обсерватории (МССО) и теория обработки таких наблюдений; состав специализированной аппаратуры и методика ее использования для вьшолнения астрометрических и фотометрических наблюдений в условиях МССО по программам фундаментальных исследований и в режиме автономного определения пространственного положения КА.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка 22 работ автора, в которых отражено содержание диссертации, и списка литературы из 98 названий. Текст изложен на 155
страницах, в тексте содержатся 12 таблиц и 35 рнелнков.
