从依巴谷到依巴谷卫星

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从依巴谷到依巴谷卫星生于公元前2世纪的古希腊天文学家依巴谷(Hipparchus)是天体测量学的先驱者,也是方位天文学和球面三角学的奠基人。在他一生作出的众多成果中,最重要的就是编制了依巴谷星表,其中包括1025颗(又说1080颗)恒星的数据,这可以看作是系统、科学地进行天体测量工作的起始。限于当时的技术条件,这些数据精度很低(位置数据精度大约为1度),但这丝毫没有影响该星表里程碑式的意义。</>在依巴谷之后的2000年间,天体测量学发生了几场革命。目视测量的集大成者是丹麦天文学家第谷,他的测量精度达到了2角分。而开普勒正是根据他的测量数据才提出了大名鼎鼎的行星运动三定律。之后,望远镜的发明给包括天体测量学在内的天文学各个分支都带来了重大进步。进入太空时代后,人们很自然地想到让卫星在地球大气以外测量恒星的亮度和方位。这样做的优点是显而易见的:测量将不再受大气扰动和天气变化的影响。1976年,欧洲空间局将一颗名为依巴谷(Hipparcos,高精度视差收集卫星,HIgh Precision PARallax COllecting Satellite)的卫星正式立案。从依巴谷到依巴谷卫星依巴谷卫星。(图片提供:欧洲空间局) 从希望到失望经过十余年的准备,依巴谷卫星于1989年8月8日由阿丽亚娜火箭发射升空。它的工作原理与地基天体测量相同,也就是通过测量天体的视差确定天体距离。但具体的作法却别具新意:卫星上的光学系统可以同时接收来自两个方向的光线,这两个方向之间夹58度的角。从这两个方向入射的星光通过光栅会聚到焦平面上。这种设计能精确比较星体与某确定方位之间的相对位置,大幅提高测量精度。而受大气层扰动的影响,在地面上很难这样做。 从依巴谷到依巴谷卫星依巴谷卫星结构示意,上图是我在一次听相关讲座时手工绘制的,大家凑合看吧(实在找不到电子文档了)。自1966年首次提出空间天体测量的设想以来,人们就对空间天体测量寄予厚望。200余名天文学家一起为依巴谷卫星制订了详细观测计划,选出了11万8千多个首要观测目标,并与众多专业和业余人士合作,以图在其使用寿命内获得更多的成果。依巴谷卫星的任务包括测量天体的位置、研究星际介质、恒星物理以及星团动力学等。卫星发射后,他们翘首以待,希望它能真正完成期望的目标。但事实很快让他们失望了。按计划,依巴谷卫星将在地球同步轨道上运行,这样可以让它不间断地进行测量工作。不幸的是,卫星的远地点推进引擎点火失败了。卫星不得不在一条近地点500千米,远地点36500千米的椭圆轨道上运行。而这条轨道要穿过地球的范艾伦辐射带,也就是说,卫星可能会因受到过量的辐射而损坏,尤其是太阳能电池板组件受到的威胁更大。 从失望到辉煌为解决变轨失败带来的麻烦,欧洲空间局安排了Odenwald、佩思(Perth)、金石(Goldstone)、库鲁(Kourou)四处地面跟踪站,它们可以覆盖依巴谷卫星90%以上的在轨时间;而事实证明,卫星的太阳能电池板抗辐射能力要比设计的强,这也可以算是不幸中的万幸了。依巴谷对11万8千个首要观测目标的测量按计划要达到毫角秒的量级。而在实际观测中,它最好的结果精度为1毫角秒;除此之外,它还精确地测量了这些天体的星等和颜色。这除了引起天体测量学革命之外,还使天体物理学家更好地研究天体的性质。这是由于他们可以用依巴谷的数据绘制精确的赫罗图。比如人们由它的数据发现,最古老的恒星实际年龄要比预计的年轻些。 从依巴谷到依巴谷卫星由依巴谷卫星所得数据绘制的赫罗图。尽管依巴谷并没有拍摄多少引人入胜的照片,也没有作出什么划时代的发现,但天文学家却使用它获取的数据编制了依巴谷星表和第谷星表。前者包括了11万8千余首要观测目标的数据,精度1毫角秒;后者精度稍逊但包含了上百万个天体的信息,总数据量可以塞满1600张CD光盘。而在依巴谷卫星发射前,广泛使用的FK4和FK5星表中只有一千余颗恒星的数据,且精度要差两个数量级。可以说这两份星表与古代的依巴谷星表和第谷星表一样,都开创了天体测量的新纪元。另外,专业天文学家与天文爱好者的合作则利用依巴谷卫星监视了上万颗变星,其中的8000余颗是以前所不知道的。其还测定了银河系银盘的翘曲(Warp)、校正了造父变星周光关系(通过测量造父变星的视差重新确定距离)。前者可以帮助天文学家更好地了解银河系的结构及其与伴星系的引力作用,而后者更是有深远的宇宙学意义。该卫星还测量了一些星团成员星的运动情况和金属丰度。 从依巴谷到依巴谷卫星由依巴谷卫星观测数据确定的银盘翘曲。(图片来源:http://astro.estec.esa.nl/Hipparcos/hipparcos.html)在1993年8月完全停止观测之前,依巴谷卫星使天文学发生了戏剧性的变化。之前的天体测量依靠的主要仪器是子午环,观测受环境影响,难度颇大;而该卫星却使人们对恒星的了解产生质的飞跃。它得到的星表不仅为专业天文学家使用,也被用在了业余软件中,如著名的电子星图SkyMap即采用了依巴谷星表和第谷星表的部分数据。而银河系中恒星分布是什么样的?宇宙又是如何演化的?依巴谷卫星提供大量精确的数据就可以帮助人们回答(至少是部分地)这些延续无数代问题。 从依巴谷卫星到空间干涉测量依巴谷卫星取得的成果是辉煌的,但它也存在着先天的缺陷:首先是为避开地球轨道上太阳辐射的干扰,设计要求依巴谷卫星的视线必须距离太阳59度以上。这样就大大限制了它可观测天体的范围。其次受当时技术条件所限,依巴谷卫星并未采用CCD作为感光元件,而是使用量子效率较低的光电管。而其极限星等也只有12.5等左右,对高精度观测来说显然是不够的。依巴谷卫星的后继者包括欧洲空间局的GAIA(Galactic Astrophysics through Imaging and Astrometry)计划和美国宇航局的SIM(Space Interferometry Mission)计划。它们都预计在2010年前后发射,采用大面积拼接式CCD和干涉测量技术,使其测量范围扩大到整个银河系,甚至可以横跨银心。其中GAIA计划更是将卫星放置在拉格朗日点L2处,避开了太阳的干扰。这两项计划都可以测量河外天体,并有可能发现太阳系外行星。可以料到,如果一切进展顺利,它们会进一步革新天体测量学这门古老的学科。 参考资料:[1] Hipparcos Pinpoints the Stars. http://astro.estec.esa.nl/Hipparcos/hipparcos.html
[2] Catherine Turon. From Hipparchus to Hipparcos: Measuring the Universe, One Star at a Time. Sky and Telescope, 1997
[3] Chaisson and McMillan. Astronomy Today. Prentice-Hall, Inc., 2001内容来自 Bo Zhang's Homepage

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