现代天体测量的发展

/ 现代天体测量的发展

就像之前的六分仪、象限仪和子午环等天体测量仪器被照相底片测量技术取代一样，自1980年代开始，照相底片逐渐从天文学中消失，超高灵敏的电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）在天文观测中得到广泛应用，以其可重复记录、灵敏、快捷、精确等优点为天体测量带来了一场革命性的变化。在观测波段上，从可见光波段逐渐拓展到其他波段，如紫外和红外波段等。这其中，美国海军天文台的UCAC(U.S. Naval Observatory CCD Astrograph Catalogue)系列天体测量巡天项目引领了这一新浪潮。在近红外领域也进行了类似的巡天观测，特别是由马萨诸塞大学领导的2MASS(Two Micron All Sky Survey)红外天巡天观测，2MASS虽不是专门的天体测量巡天观测，但其发表星表的位置误差被天体测量人员校准到了其测量能力的极限。

泛星巡天项目（Pan-STARRS），是一个引导对全天天体进行位置和光度测量的时域天文观测计划。版权／Pan-STARRS

近些年，一些超大规模可见光或红外地基巡天也逐步开始部署和工作，如欧洲南方天文台的VLT（Very Large Telescope）巡天望远镜、VISTA（Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy）可见光和红外巡天望远镜和Pan-STARRS巡天望远镜等，而更宏大的项目--LSST（Large Synoptic Survey Telescope）大型巡视望远镜也接近开光。这些大规模巡天虽然不是专门用于测量视差或高精度自行，但它们参考于前人创建的高精度天体测量星表，尽可能地使用多色滤光片测量天体位置和亮度，为天文学家们提供前所未有的海量天体观测数据信息。

大规模巡天计划虽然不是专门用于测量视差或高精度自行，但它们尽可能多使用多色滤光片测量天体位置和亮度，为天文学家们提供了前所未有的大数据信息。欧洲南方天文台的VLT巡天望远镜（VST）。版权／ESO

天体测量是天文学中获得观测目标距离、运动和质量等几何和物理信息的主要手段。为实现各种不同的天体测量目的，需要使用各种不同的观测手段。对地基光学观测而言，其精度的进一步提高受到以下几个因素的限制：大气抖动、大气折射以及地球运动等。除了大气的影响，建立天球参考架的前提条件是有能力将大角距的不同目标位置联系起来，换句话说，可以测量大张角的天体间的夹角，这对建立全天球参考架有很大的用处，可以避免很多导致参考架刚性减弱的微小错误。另外，大角度观测也是获得绝对视差和自行的关键。

典型的一种观测仪器就是随地球自转的子午环。随着地球自转，不同天区的大角距目标被不断地观测。这类仪器的观测纬度区域大小取决于该仪器的地理纬度。为了对全天球进行覆盖和获得必需的重叠天区，需要将几个这样的仪器适当地分布在地球表面，但是它们的观测结果将包含各自的仪器系统误差，也将包含地球大气层对观测的影响。而空基天体测量可以有效避免大气对天体定位的影响。空基望远镜对全天球的可视性及其所处的热稳定环境对实施高精度天体测量观测有很大的好处，这些条件对基于大角度观测的全天球绝对天体测量至关重要。

欧洲空间局ESA（European Space Agency）于1989年发射了依巴谷(Hipparcos)卫星，成为空间大角度天体测量的里程碑项目，在其四年工作期间（1989年9月至1993年3月），传回了高质量的天体测量观测数据。1997年正式发表的依巴谷星表，包括了近12万颗恒星在J1991.25历元的高精度位置、视差、自行和测光数据，其位置、视差精度已优于1毫角秒，自行已优于0.25毫角秒/年，并从1998年起作为光学波段的天球参考架取代了基本星表FK5。但依巴谷星表并未将所有观测数据都使用上，只是重点挑取了一些亮星，以保证星表整体精度都非常出色，这使得其星等覆盖不完备、天区密度非常低。随后欧空局发表第谷-2星表，包括了250多万颗星，密度较依巴谷提升了8倍多，它的位置和测光数据均来源于依巴谷卫星的观测，位置平均观测历元为J1991.5，整体位置精度为6-60毫角秒左右，其自行数据融合了地面历史上140多部天体测量星表的结果，自行精度大约为2.5毫角秒/年。

欧洲空间局于1989年发射了依巴谷(Hipparcos)卫星，成为空间大角度天体测量的里程碑项目，在其四年工作期间（1989年9月至1993年3月），传回了高质量的天体测量观测数据。版权／ESA

2013年12月，欧洲空间局成功将第二代空间天体测量卫星——盖亚（Gaia）发射到了日地L2点，这是继依巴谷(Hipparcos)卫星之后又一个极其重要的天体测量里程碑任务。Gaia的主要工作是对全天进行天测、测光和低分辨光谱观测。到目前，经过近九年的大角度扫描巡天观测，Gaia对天体位置和运动参数的最高测量精度已达10微角秒水平，Gaia第三批释放的数据DR3中给出了前所未有的近15亿颗恒星的位置、视差和自行之外，还测量了约3000多万颗恒星的视向速度信息，目前gaia巡天观测还在继续，数据产品也将越来越精细和多元。利用这些数据，Gaia能够精细地描绘出银河系的大尺度结构，并以新的理念直接构筑高密度、高精度的天球参考架，是天体测量史上一次重大飞跃。中国科学院上海天文台于2014年参与Gaia观测数据处理工作，并在2015年6月正式成为Gaia数据处理与分析委员会DPAC（Data Processing & Analysis Consortium）天体测量核心处理单元CU3成员，为Gaia天体测量数据处理提供独立检验，提出了校验望远镜稳定性的创新想法并在软件上得以实现，参与了光学天球参考架的构建和特性评估等工作。

盖亚卫星示意图

/ 总结与展望

历史还将继续被书写，早在依巴谷卫星成功发射后，天文学家们就开始提出更雄心勃勃的计划来绘制宇宙中各类天体的三维星图。这些巡天计划包括：德国DIVA卫星任务、美国航天局的空间干涉测量任务（SIM，以前也被称为SIM Planet Quest）、美国海军天文台的各种计划（FAME、AMEX和JMAPS），欧空局ESA的Theia、NEAT以及Gaia的后续计划NIR-Gaia，俄罗斯的OSIRIS和LIDA、日本的JASMINE和Nano-JASMINE，以及中国的STEP/CHES和ASTRO等。虽然由于技术、成本等考虑，其中许多已被搁置一旁，但这本身已凸显了空间天体测量的重要性。

在依巴谷卫星成功发射后，天文学家们就开始提出更雄心勃勃的计划来绘制宇宙中各类天体的三维星图。图为美国航天局未来的空间干涉测量任务（SIM）。版权／NASA

我国计划于2023年前后发射自己的空间巡天望远镜——中国空间站巡天空间望远镜（China Space Station Telescope, CSST），这是一架和中国空间站伴飞的望远镜，它的口径2米，焦距近30米，是中国载人航天工程的重大科学项目。CSST预计于2024年左右开始科学巡天工作，巡天任务为期10年。在观测期间，CSST将与空间站相同的轨道上独立飞行，同时和空间站保持较大的安全距离，必要时可通过机械臂进行维护。

CSST对比国际上同时期的其他项目，比如欧空局预计2024年发射的Euclid空间望远镜，美国预计在2025年发射的Nancy Grace Roman空间望远镜（原名WFIRST望远镜）等，CSST具有波长覆盖广、角分辨率高以及其天区覆盖面积大等优点。CSST巡天极具科学竞争力，有望在天文学与基础物理学前沿领域（如宇宙学、星系科学、恒星科学与天体测量科学等）取得重大突破，引领国际光学天文的发展。在天体测量领域，CSST非常适合于对20-25星等之间的天体开展天体测量工作，为天文探索提供寻宝地图和基础数据。

Gaia任务的成功观测，让人类在天体测量的精度上达到了前所未有的10微角秒水平，并使得人类对精准测定天体距离和自行的范围扩大到了银河系边缘。随着人类对黑洞、暗物质和暗能量以及各类天体与生命起源演化等问题的持续不断探索，1微角秒精度测定天体距离和运动已经成为解决这些问题的关键突破口之一，有望为天文学研究带来下一个革命性的变革。

——本文选自《中国国家天文》11月刊