Астрометрия

Изучение движений небесных тел долгое время оставалось главной задачей астрономии, поскольку не было средств для исследования их физической природы. Астрономы достигли больших успехов как в изучении движений светил, так и в выяснении их причин. Например, один из основных физических законов - закон всемирного тяготения - был открыт на основе данных о движениях планет.

Чтобы изучить движение небесного тела, надо, во-первых, указать его положение в какой-нибудь определённый момент и, во-вторых, установить, с какой скоростью и в каком направлении оно движется. Но это ещё не всё. Любое движение относительно. Поэтому, говоря о положении и скорости небесного тела, мы должны назвать другое небесное тело, относительно которого это движение измеряется, точнее - указать систему координат. Часть астрономии, которая занимается установлением системы координат и разработкой методов определения положений и скоростей светил, называется астрометрией.

Положение небесного тела в пространстве астрономы характеризуют тремя числами. Это координаты на небесной сфере (например, прямое восхождение и склонение) и расстояние до светила. Очень часто вместо расстояния указывают параллакс - угол, под которым виден с небесного тела средний радиус орбиты Земли. Поскольку радиус земной орбиты известен с высокой точностью, то, зная параллакс, всегда можно вычислить расстояние. Все три величины, определяющие положение светила, являются углами.

Чтобы указать величину и направление скорости светила, также необходимы три числа. Астрономы используют изменения прямого восхождения и склонения за единицу времени и скорость изменения расстояния. Скорость изменения небесных координат называется собственным движением, а скорость изменения расстояния - лучевой скоростью.

Лучевую скорость можно было бы определять, измерив параллакс в два разных момента. Но точность этого метода очень низка. К счастью, для измерения лучевой скорости можно воспользоваться спектрами небесных тел. Если звезда движется к нам, длины волн её излучения будут чуть короче, чем у неподвижного источника, а если от нас - то чуть длиннее. Это явление называется эффектом Доплера. Длины волн света, излучаемого неподвижными атомами, хорошо известны. Сравнивая измеренные длины волн в спектре звезды с длинами волн света от неподвижных атомов, можно вычислить скорость звезды по направлению к нам или от нас.

Теперь следует указать главные небесные тела, т. е. те, относительно которых будут определяться положения и скорости других тел. До последнего времени такими главными были специально выбранные 1535 звёзд, координаты которых определяли с особенно высокой точностью. Астрономы называют эти звёзды фундаментальными, а их список - фундаментальным каталогом. Это яркие, а значит, сравнительно близкие звёзды, которые, как все другие близкие звёзды, заметно изменяют своё взаимное расположение. Разумеется, фундаментальный каталог содержит не только координаты, но и собственные движения звёзд. Однако собственные движения тоже определены с некоторой погрешностью. Поэтому с течением времени положения звёзд, вычисленные по каталогу, становятся всё менее точными. Срок "полезной жизни" каталога - несколько десятилетий. После этого нужно составлять новый фундаментальный каталог, хотя и содержащий те же самые звёзды. Последний фундаментальный каталог, обозначаемый FK 5 ("Пятый фундаментальный каталог"), составлен в 1988 г.

А что если в качестве главных выбрать такие объекты, которые, находясь очень далеко от нас, практически не перемещались бы по небу? Самые далёкие из известных небесных тел - квазары. Они в миллионы раз дальше, чем любая из 1535 главных звёзд, поэтому их взаимное положение на небе практически не изменяется. Квазары очень слабые, и наблюдать их трудно. Зато они излучают не только видимый свет, но и радиоволны. С помощью радиотелескопов можно измерить взаимное расположение квазаров намного точнее, чем с помощью обычных телескопов.

Конечно, можно спросить, что толку от такой точности, если нас интересует движение звезды, не излучающей радиоволны? Оказывается, есть возможность связать положение квазаров со звёздами, используя их слабое видимое излучение. В настоящее время многие астрономы работают над тем, чтобы сделать эту связь как можно более точной.

А пока в качестве фундаментальных звёзд всё же удобнее использовать не квазары, а какие-нибудь достаточно яркие и легко наблюдаемые звёзды. Только желательно, чтобы их было не 1535, а много больше. Для решения этой задачи астрономы и инженеры Европейского космического агентства сконструировали и запустили специальный искусственный спутник Земли "Гиппаркос" (название HIPPARCOS образовано из первых букв английских слов, которые означают "спутник, собирающий параллаксы высокой точности"). Это название напоминает имя древнегреческого астронома Гиппарха, составившего первый дошедший до нас целиком список положений звёзд на небе.

Зачем понадобилось запускать сложный и дорогостоящий спутник? Дело в том, что наблюдения с Земли происходят сквозь атмосферу, которая никогда не бывает спокойной. Мы можем построить очень точные телескопы для измерения движений звёзд, но неспокойствие атмосферы сведёт на нет все наши старания. Наблюдения на спутнике имеют и другие преимущества. Он находится в состоянии невесомости, так что объектив телескопа и другие его детали не изменяют своей формы под действием силы тяжести. Спутник движется вокруг Земли и может наблюдать звёзды как северного, так и южного полушария неба. Наконец, наблюдения на спутнике не прерываются днём или в облачную погоду, как на Земле.

Спутник "Гиппаркос" работал с августа 1989 по март 1993 г. На нём был установлен телескоп, состоящий только из зеркал, так как применение линз внесло бы ошибки, вызванные разложением света в спектр при преломлении в линзе. Поле зрения было невелико, размером в две Луны на небе. Спутник выполнял, казалось бы, очень простые наблюдения: измерял видимые взаимные расстояния (углы) между звёздами. Он медленно вращался, постепенно изменяя направление оси вращения. Благодаря этому всё небо было им осмотрено несколько раз. В течение пяти лет данные, полученные со спутника, обрабатывались с применением самых мощных вычислительных машин. В результате были определены координаты, собственные движения и параллаксы 118 218 звёзд; среди них почти все звёзды, которые ярче 9-й звёздной величины, а самые слабые имеют звёздную величину 12,4. Точность очень высока - около 0,001".

Есть и другие результаты работы спутника. Были измерены звёздные величины и цвета свыше миллиона звёзд. Открыто несколько тысяч двойных звёзд. К сожалению, спутник не мог определять лучевые скорости.

Наблюдая взаимное перемещение звёзд на небе, можно многое узнать не только об их движении, но и о движении Солнца. Как это понять? Когда человек идёт по лесу, ему кажется, что деревья впереди расходятся в стороны. Точно так же, если Солнце движется в каком-то направлении, нам будет казаться, что звёзды расходятся от этого направления. Такое расхождение звёзд на самом деле было обнаружено. Точка небесной сферы, в направлении которой движется наше светило относительно ближайших звёзд (она называется апексом Солнца) находится в созвездии Геркулеса. Скорость этого движения около 20 км/с. Интересно, что скорости и направления движения Солнца относительно звёзд разных спектральных классов несколько отличаются.

Результаты работы астрометристов используются для организации полётов межпланетных автоматических станций. Так, при подготовке космических аппаратов, направленных к комете Галлея, специально составлялись каталоги положений звёзд относительно которых измерялось движение кометы. Если бы не были известны положения и движения фундаментальных и многих других звёзд, устроить встречу космического аппарата и кометы не удалось бы.

Астрометрия помогает "навести мосты" между результатами астрономических наблюдений в различных спектральных диапазонах. Предположим, мы наблюдаем какой-нибудь источник рентгеновского излучения и хотим узнать, не излучает ли он и в видимом свете? Есть только один способ узнать это: сравнить координаты источника, определённые в рентгеновском диапазоне, с координатами всех светил, наблюдаемых в видимом свете. Совпадение координат в пределах ошибок наблюдений говорит о том, что, может быть, видимый свет и рентгеновское излучение приходят от одного и того же небесного тела.

С древних времён одним из главных практических применений астрометрии была навигация. В наше время создана система спутниковой навигации. Чтобы узнать свои координаты на Земле, достаточно иметь приёмник спутниковой навигации. Его можно установить на самолёте, в автомобиле или носить с собой. С его помощью можно даже произвести разбивку участка для строительства дома. Навигационные спутники Земли, посылающие радиоизлучение с нужными для навигации кодами, могут выполнять свою задачу только в том случае, когда их координаты относительно Земли известны. Для этого специальные службы должны периодически определять их координаты.

В заключение упомянем об одном явлении, связанном с отклонением света в гравитационных полях. Если свет от звезды или квазара проходит вблизи массивного тела, наблюдателю будет казаться, что меняются и яркость, и положение светила, оно может как бы шевелиться на небе. Точно не известно, мимо каких тел проходит свет и каковы их массы, поэтому предсказать и учесть это "шевеление" невозможно, что несколько подрывает авторитет квазаров как фундаментальных небесных тел. Однако вычисления показывают, что такое "шевеление" мало. В то же время, если его удастся выявить, мы получим новый астрометрический способ обнаружения небесных тел, находящихся между нами и квазаром, которые никаким другим способом найти нельзя.