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1、天体测量学科发展专题报告 (草稿)一 国际发展现状和趋势1 多波段天球参考架研究近十多年来，天体测量与天文参考系研究取得了重大突破性进展，天体测量观测精度、观测能力和效率都得到了飞速的发展。在基本天体测量领域，已经从过去比较单纯的天文参考系研究拓展到天文学研究的众多领域。同时，高精度的天体测量与高精度天文参考系更进一步确立了其在天文学中的基础地位。其中标志性的成就当属ESA空间天体测量卫星Hipparcos的成功发射和项目实施，由此获得大样本恒星的天体测量观测数据，建立了光学波段的高精度国际天球参考系。Hipparcos计划之后，国际上当前天球参考架研究的特点是开展大样本、多波段、高精度的巡天
2、观测。具体表现在以下4个方面的工作：（1）各国纷纷提出了第二个空间天体测量卫星的计划，如Gaia、 MAPS （全称Milli-Arcsecond Pathfinder Survey）、JASMINE（Japan Astrometry Satellite Mission for Infrared Exploration）以及SIM、PlanetQuest等，这些卫星大多将在2012年前后发射，结果则估计需迟至2020年左右发表。（2）地面观测从依巴谷星表向暗星扩充，包括以下3项工作：（a）已发表的星表有：Tycho-2、UCAC-2（全天星表将在2008年上半年发表）、GSC 2.3，USNO
3、 B1.0，后2项星表己包括数以亿计的天体，星等至21 mag左右；（b）基于银河系结构和演化的研究，开展局部天区的巡天计划，如SDSS、QUEST、WOCS、DAS等，这些计划都包括了精确测定天体测量参数内容；（c）研制新的地面天体测量望远镜，如美国海军天文台提出研制一架新的望远镜URAT（USNO Robotic Astrometric Telescope），计划于2010年得到完备至20mag的高精度天体测量全天星表。（3）构建多波段参考架包括、X、紫外、光学、红外、亚毫米和射电参考架，现在已建立光学、红外和射电参架。其中1997年发表的依巴谷星表(Hipparcos Catalogue
4、)是ICRF在光学波段的实现，已在天文、测地、空间研究等领域广泛使用；1997年23届国际天文学联合会（IAU）大会通过用VLBI方法建立的国际天球参考架作为准惯性的参考架，并在1998年1月1日采用。至2004年，总共有776颗ICRF射电源分布全天，每88有1个源。坐标精度平均为0.25mas，参考架的指向稳定在0.014mas 以内；红外参考架是由2MASS和DENIS两本星表构成，是ICRF在近红外的实现。 尽管已经做了许多有关、X源寻找光学、红外的对应体的工作，现在已有6000颗依巴谷星和14 000颗Tycho1星在ROSAT的巡天中找到X射线源的对应体，然而全波段的7个（、X、紫
5、外、光学、红外、亚毫米和射电）参考架只有3个给予实现，其他4个波段和全波段的综合参考架有待今后解决。（4）微角秒天体测量参考架Gaia 的观测资料将给出微角秒量级的恒星位置精度，4 as (V=10 mag)、10as(V=15 mag)、200as(V=20 mag)。从依巴谷至Gaia给出天体的位置精度将是一个飞跃：从亳角秒至微角秒。观测精度达到微角秒量级后，其归算也必须在相对论框架下进行。鉴于此项工作的重要性，2006年第26届IAU大会上成立了“基本天文学中相对论专业委员会（第52专业委员会）”，其科学目标为在相对论框架内确定基本天文的几何和力学概念，并给出基本天文中所用的数学和物理公
6、式。除了上述关于天球参考架诸项研究方面外，对于重要天体测量参数之一的视向速度测定工作，依巴谷没有测定视向速度，而Gaia将给出亮于16-17 mag 星的视向速度，其精度为110 km/s。在Gaia发射前提出的视向速度的RAVE（RAdial Velocity Experiment）巡天计划，计划在2003 2010年期间用英澳天文台（AAO）的UK 1.2 m的Schmidt望远镜测定南天亮于16 mag近百万个天体的视向速度（精度为2 km/s）。这个恒星运动学的数据库将比现在提出的其他巡天计划大3个数量级。2天体测量数据在银河系研究中的应用依巴谷计划的成功实施，不仅建立了光学波段的高精
7、度国际天球参考系，同时为银河系天文学研究提供的极为珍贵的第一手观测资料。Hipparcos自行和视差资料，对银河系运动学和动力学研究、银河系精细结构、银河系距离尺度等研究工作都给予了极大的推动。图1给出了Hipparcos对毕星团结构研究结果的比较示意图。图1：根据地面观测、依巴谷和预计从Gaia得到的毕星团距离及其误差伴随空间天体测量发展的同时，CCD和底片处理技术的进步，为海量天体观测测量数据的运用提供了更广泛的前景。其中，包括从数百万星的各类天体测量星表（如TYCHO-2）,到包含几千万星的星表（如UCAC2），乃至数亿星的GSC星表等，都给出了高精度的恒星运动学资料。结合测光和光谱巡天
8、观测数据，这些天体测量观测资料为大尺度的银河系结构研究提供了更丰富的样本。目前，第二代空间天体测量卫星计划Gaia（ESA）和SIM、PlanetQuest（NASA）正在实施，并将于未来几年内发射升空。Gaia卫星将实现对几乎整个银河系的“扫描”，其观测含盖了角距测量、多波段测光和光谱观测，将得到微角秒精度的六维银河系结构资料（三维空间结构、三维速度场），是迄今最为雄心勃勃的银河系巡天计划，几乎实现对银河系结构观测的“一览无余”。与Gaia计划相辉映的SIM空间计划，将实现有选择的观测方式，其突出特点是光学干涉观测，天体测量精度更高，以搜寻类地型行星，观测引力透镜效应，银河系双星精密定轨、旋
9、臂精细结构等等。这些空间计划的实施，将得到巨量的银河系巡天资料，不仅对银河系的结构、形成和演化研究有重大意义，同时对基本物理学问题也将发挥特殊作用。光学光谱包含着遥远天体丰富的物理信息，大量天体光学光谱的获取是涉及天文学诸多前沿问题研究的关键。业已基本建成的国家大科学工程LAMOST兼大口径(4米)和大视场(20平方度)特点于一身，在光谱巡天方面有着独特的优势。由于它的大视场，在焦面上可以放置4000根光纤，将遥远天体的光分别传输到多台光谱仪中，同时获得它们的光谱，这将是世界上光谱获取率最高的望远镜，是进行大视场、大样本天文学研究的有力工具。银河系作为一个典型的盘状星系在探索星系结构和演化方面
10、具有独一无二的重要性。疏散星团作为银盘性质的“探针”，无论是大样本的统计性质，还是单个星团的内部运动与特性，都会对银河系结构和演化模型提供关键性的约束。利用LAMOST，将能以空前的观测效率获取高精度的银河系疏散星团成员视向速度数据和金属丰度资料，进而获得典型盘族天体大范围的运动状况和动力学化学演化信息，为银河系结构和演化的研究提供可靠的约束。3. 双星天体测量研究双星运动学的定量研究是天体测量学的基本学科内容之一。双星的轨道运动及其与周边环境的关联研究具有恒星物理学和星系天文学等多重学科兴趣，这些学科的研究或多或少地依赖于双星天体测量的研究成果（比如恒星的质量参数、双星的轨道的统计结果等等）
11、，这里只限于讨论双星的精确定位这个天体测量学的基本学科问题。对该问题研究的主要产出是描述双星各子星的运动学参数。这些参数是高精度、高网格密度星表参考架的必要组成部分，它们的确定不仅是天体测量学的学科目标之一，而且也具有广泛的应用需求。近年来，天体测量理论和技术的各个方面都有了本质性的进展。自1997年以来的国际天文联合会的一系列决议提供了位置天文学的高精度理论框架；而各种观测和处理技术的日臻成熟，使得可资利用的观测资料迅速增加。这些进展对双星天体测量工作起到了极大的推动作用。首先，探测器灵敏度的提高、多波段探测技术的发展，以及基于海量数据处理技术的各种巡天计划的实施使得已确认的双星系统越来越多
12、；其次，空间、时间和光谱分辨率的提高使得越来越多的双星系统同时具备了多种观测资料，从而得出完整的3维高精度运动学观测资料，这为得到高可信度的双星轨道运动学参数提供了十分有利的条件；另外值得一提的是，观测底片数字化技术使得以往天体测量观测资料的可利用价值得到明显提升，这对较长周期双星系统的轨道拟合或改进提供了可能。与上述观测进展相适应的是近年来发展了多种针对不同情况的双星轨道拟合方法，特别是一些联合拟合方法。上述多方面的进展集中体现在各种有关双星的星表中，这些星表可以粗略地分为测量星表、轨道星表和质量星表三类。除质量星表外，其它两类星表的数据的更新和增长速度都很快，因此通常都以动态的网络资源形式
13、发布。双星天体测量工作具有良好的发展前景，这主要是由于现有的观测设备正以前所未有的速度不断积累着高质量的观测数据，同时，更先进的观测设备（如SIM和Gaia）也即将投入运行。4. 太阳系内天体测量研究目前，星际空间探测和导航仍然是太阳系行星和卫星天体测量观测的主要驱动力，但也有更深层次的科学意义。高精度的观测资料可以构造高精度的历表，这种历表可以用来开展卫星系统的物理研究（例如潮汐加速、共振和混沌等），参考系研究等。在过去的十几年中，除了CCD技术被广泛使用，还出现众多技术上的新进展：Hubble望远镜已用于土星、天王星和冥王星内部暗卫星的天体测量研究；在木星、土星系统内部采用红外技术被证明是
14、有用的。此外，雷达技术和甚大阵(VLA)技术也可获得高精度的观测资料。随着天文学的发展，人们对近地空间环境的关注也与日俱增。近年来一些特殊天象一直带给人们惊喜，从上世纪九十年代的百武彗星出现和英仙座流星雨爆发开始，人们目睹了海尔波谱彗星、狮子座流星雨，以及许多的小行星飞越近地空间的事例。其中1994年的Shoemaker-Levy彗星碎片和木星相撞的事件最引人注目，这是太阳系内大行星和空间碎片相撞的一次预演。目前全球开展多个近地天体探测计划，其中比较有影响分别是LINEAR、Spacewatch、Catalina、NEAT、EUNEASO，LEONOS、JASG、以及北京天文台的近地小行星巡天
15、计划(SCAP)，紫金山天文台也建造了1.04/1.20m近地天体探测望远镜，于2006年底投入观测。下一代地面探测观测计划主要包括以下大型探测设备：1. Pan-STARRS计划是一套由多台天文望远镜组成的小行星观测网络，即将在夏威夷建成。这个被称为“全景观测望远镜和快速反应系统”的探测系统将主要用于搜寻NEO。Pan-STARRS系统共由4台口径1.8m的相同望远镜组成，60s内曝光可以探测到24mag星。配备1,400,000,000像素的拼接CCD探测器，象元的角分辨率约为0.3，CCD视场为33。2006年Pan-STARRS系统中的第一架望远镜投入使用，整个计划在2009年才能完全
16、投入使用，届时系统将大幅提升地球应对小行星和彗星潜在威胁的早期预警能力。2. 美国将建造一架口径8.4m，视场1010的LSST望远镜，每三个观测夜可以覆盖全天，用于搜索超新星，NEO和KBO等，据计划该望远镜将于2013年12月建成。3. 为了探测到90%的大于140m的NEO，Lowell天文台开始建造一台新的4.2m口径的望远镜(DCT)，终端设备是由40个20482048的CCD拼接而成的探测器，预计2009年建成.二 国内发展现状1 国内天球参考架研究的现状（1）近期我国没有打算发射天体测量卫星要求和具备独立发射的条件，但是基金会十五重点课题“依巴谷参考系的扩充及其应用”通过努力己与Gaia参与单位意大利多灵天文台进行合作，争取介入Gaia的工作。改变过去仅利用依巴谷观测资料开展研究工作的情况，进入国际前沿的研究领域
