Гиппаркос

Гиппаркос (Hipparcos - акроним от англ. HiGH Precision Parallax Collecting Satellite - спутник для сбора высокоточных параллаксов) - космический телескоп Европейского космического агентства (ЕКА), предназначенный для астрометрических задач: измерение координат, параллаксов и собственных движений светил и расстояний к ним. Название телескопа созвучно с именем древнегреческого астронома Гиппарха (др.-греч Ιππαρχος), который составил первый в Европе звездный каталог.

Спутник был запущен в августе 1989 года и он функционировал до марта 1993 года. Получил код обсерватории «248». Течение 37 месяцев работы была собрана информация о более чем миллиона звезд. Успех программы позволил увеличить точность измерений в астрономии на порядок, а для многих объектов - на два порядка.

История

Замысел высокоточного измерения параллаксов из искусственного спутника был предложен еще 1966 году французским астрономом Пьером Лакрутом (фр. Pierre Lacroute).

Основные преимущества наблюдений из космоса:

отсутствие влияния атмосферы, размывает изображение;
минимизация гравитационного и температурного воздействия на инструменты, который приводит к их искривлению;
видимость всего неба одновременно, что позволяет связывать наблюдения в различных частях всей небесной сферы. В частности, можно получить параллаксы, которые являются абсолютными, а не относительными (с неизвестной нулевой точкой);
однородность наблюдений (одним инструментом, в одинаковых условиях) на всей небесной сфере, что является чрезвычайно важным для сравнительных исследований;
Предложение было предоставлено со значительным опережением на развитие технологий. Однако члены научного совета ЕКА осуществили детальное рассмотрение предложения, предыдущее вычисления результатов, дополнения проекта деталями. 1980 года ЕКА начала работу непосредственно по реализации проекта.

Оборудование и задачи

Космический аппарат состоял из двух платформ и шести вертикальных панелей. Все они были изготовлены из алюминиевых сотовых конструкций. Солнечные батареи состояли из трех секций, вместе генерировали мощность около 300 Вт. Две антенны были расположены сверху и снизу аппарата. Они обеспечивали выгрузки данных со скоростью до 24 Кбит / сек. Подсистема ориентации и управления орбитой, состоявшая из гидразинових двигателей для орбитальных маневров тягой 5 Ньютонов), двигателей на сжиженном газе для системы ориентации (тягой 20 милиНьютонив) и гироскопов, обеспечивала правильное динамическое ориентирование протяжении всей жизнедеятельности корабля.

Оптическая система представляла собой катадиоптричний (зеркально-линзовый) телескоп системы Шмидта с апертурой 29 см и фокусным расстоянием 140 см. Его масса составляла около 500 кг. Перед объективом было расположено два плоских зеркала, которые совмещали в поле зрения (около 1 ° × 1 °) два участка неба на расстоянии 58 ° друг от друга.

Вблизи фокальной плоскости телескопа было установлено сетку, состоявшая из 2688 прозрачных и непрозрачных полос с периодом 8,2 мкм (1,208 угловой секунды). Позади сетки находится электронный преобразователь изображения (фотоэлектронный умножитель) с полем зрения около 38 угловых секунд в диаметре, превращал модулированное свет на последовательность импульсов (с частотой дискретизации 1200 Гц).

Входной каталог Hipparcos

Спутник имел наблюдать звезды по заранее определенному перечню. Этот перечень создан так называемым входным каталогом Hipparcos (англ. Hipparcos Input Catalogue). Входной каталог был подобран консорциумом INCA (англ. InPut Catalogue Consortium) в течение 1982-1989 годов, закончен перед стартом и опубликовано в бумажном и электронном виде. Хотя он полностью заменен по результатам спутниковых наблюдений, тем не менее содержит полезную информацию о компонент кратных систем такую как подборка радиальных скоростей и спектральных типов, не наблюдались спутником, и, соответственно, не были включены в окончательный каталога Hipparcos.

Ограничение общего времени наблюдений и однородности расположения звезд на небесной сфере привели к тому, что входной каталог содержал около 118 тысяч звезд. Он совмещал две части:

исследования примерно 58 тысяч объектов, наиболее полно удовлетворяли следующем ограничению звездной величины:
V <7.9 + 1.1 × sin (b) для спектральных классов, созданных ранее за G5 (b - эмиссионная долгота);
V <7.3 + 1.1 × sin (b) для спектральных классов, более поздних по G5
дополнительно выбранные звезды согласно научных интересов, не слабее 13m. Они были выбраны среди почти 200 предложений (предоставленных на Приглашение предложений, которое было выдано ЕКА 1982 года) и приоретизованих Научным комитетом отбора предложений за консультациями по консорциумом INCA.
Этот выбор был балансом между первичными научными интересами и ограничениями миссии (наблюдаемая звездная величина, общее время наблюдений, требования однородности на небе).

Эксперимент Tycho

При разработке проекта ученые предложили использовать звездный картограф (англ. star-mapper), который использовали для ориентирования спутника в пространстве и наблюдение за работой основного телескопа, с научной целью. Этот эксперимент получил название Tycho (в честь датского астронома Тихо Браге)..

Дополнительные фотоэлектронных умножителей обращались (через свитлоподилювач в оптическом пути) изображение в звездном картографов. Целью наблюдения по этой программе было около 400 000 звезд.

Запуск и эксплуатация

Запуск спутника состоялся 8 августа 1989 года с космодрома Куру (Гвиана). Спутник выведен на орбиту ракетой-носителем «Ариан». За отказа двигателя вскоре после старта спутник не был выведен на запланированную геостационарную орбиту, он оказался на переходной, очень вытянутой эллиптической орбите (перигей - 200 км, апогей - 36500 км, эксцентриситет - 0,7, наклон - 6,89 °). 14 сентября точку перигея удалось поднять до 500 км. Эксперимент не было прекращено, поскольку вести наблюдение возможно было и в таких условиях. Для этого была изменена система ориентации спутника и задействованы две дополнительные станции наземного наблюдения. Правда, орбита регулярно пересекала радиационные пояса Земли и наблюдения в них фактически терялись (около трети времени).

Ориентация корабля относительно его центра масс контролировалась с помощью сканирования небесной сферы и осуществлялась поддержанием постоянного наклона между осью вращения и направлением на Солнце. Космический корабль вращался вокруг своей Z-оси со скоростью 11,25 оборотов в сутки (168,75 угловых секунд в секунду) под углом 43 ° к Солнцу. Z-ось вращалась вокруг линии спутник-Солнце со скоростью 6,4 оборота в год.

Наблюдения происходили согласно тому, как спутник вращался и звезды попадали в зону чувствительности детектора.

Частое пересечение радиационных поясов ускорило деградацию некоторых компонент спутника и измерительной аппаратуры, 1992 года привело к остановке работы на три месяца, а в марте 1993 эксперимент был досрочно прекращен.

Спутником было совершено более 3 млн. наблюдений за основной программой, охватившей почти все звезды до 8,5 звездной величины, и несколько десятков миллионов наблюдений за дополнительной программой.

Точность основного эксперимента до его начала было оценено как 2 угловые миллисекунды (mas), реально полученная для большинства зрение оказались лучше - около 1 mas.

Вспомогательной аппаратурой было собрано фотометрические и астрометрические данные всех звезд примерно до 11m. Эти измерения были сделаны в двух спектральных полосах, которые примерно соответствуют B и V в фотометрической системы Джонсона. Расположение этих звезд определены с точностью до 0,03 "(хотя это в 25 раз хуже, чем для звезд основной миссии, однако в несколько раз превышает возможности наземных телескопов.

Обработка данных

Обработка наблюдений производилась независимо двумя международными консорциумами в составе около 100 астрономов и ученых (в основном из институтов европейских стран - членов ЕКА): «северным» (NDAC - Northern Data Analysis Consortium - страны Скандинавии и Северной Европы) и «Юг» ( FAST - Франция, Италия и др.) и продолжалась до августа 1996 года. Анализировались около 1000 Гбит данных, собранных в течение 3,5 лет, было охвачено комплексной системой проверки и подтверждения.

Детальная модель калибровки частности содержала преобразования небесных координат в инструментальные. Исправление специальной теории относительности (аберрация света) учитывали скорость спутника. Весьма значительными были эффекты общей теории относительности. Например, искривление света в направлении 90 ° к эклиптике составлял около 4 угловых милисекуд. Отклонения, оставшиеся были проанализированы с целью установить различия с общей теорией относительности. Никаких существенных различий выявлено не было.

Астрометрические параметры вычислено по результатам решения линеаризованных уравнений в частных производных методом наименьших квадратов.

Анализ данных, собранных звездным картографом, осуществлялся консорциумом TDAC (Ticho Data Analisis Consortium) с независимой проверкой некоторых результатов редукции консорциумом NDAC.

Каталоги

Окончательные результаты работы было сравнительно и объединены и опубликованы в виде двух каталогов: одноименного проекту каталога Hipparcos и каталога Tycho (по результатам соответствующего дополнительного эксперимента). Каталоги было выпущено в печатном и электронном виде в июне 1997 года. Печатная версия состояла из 16 томов и содержала собственно каталоги, документацию, описывающую содержание обоих каталогов, характеристики спутника, алгоритмы обработки данных. Электронная версия содержалась на шести компакт-дисках, собранных в виде 17-го тома.

Окончательный каталог Hipparcos содержит 118 324 зрение со средней точностью получше, чем 0,001 угловая секунда (1 угловая миллисекунда). Для звезд каталога Hipparcos приводятся следующие параметры:

астрометрические:
небесные координаты в ICRS (2 параметры);
собственное движение (2 параметры);
параллакс;
фотометрические:
звездные величины (в лучах B и V);
Точность измерения параллаксов позволила существенно уточнить расстояния до звезд. По результатам эксперимента для 20 000 зрение расстоянии стали известны с погрешностью менее 10%, а для 49 000 - не более 20%.

Обработка наблюдений продолжалась и после опубликования основного результата. Более глубокий анализ данных звездного картографа позволил получить из потока данных дополнительные слабые звезды. В сочетании с наблюдениями на старых фотопластинках, сделанных на протяжении нескольких десятилетий в рамках программы Карта неба (или Астрографичний Каталог), 2000 года был опубликован каталог Tycho-2, который содержит более 2,5 миллиона звезд и заменяют каталог Tycho. Он содержит положение, собственные движения, звездные величины и другие сведения. Точность расположения (для звезд 9 величины) - около 0.05 ", собственных движений - 0.002-0.003 / год.

Каталог Hipparcos не имеет аналогов для применения в практических задачах, требующих высокой астрометрической и фотометрической точности на соответствующих полях зрения (около градуса) и в соответствующем диапазоне звездных величин (до 9m). Он не полностью универсален - в современной астрономии есть задачи, которые используют меньше поля зрения (несколько угловых минут), в котором присутствуют лишь тусклые звезды (10m-20m). Поэтому каталог Tycho-2 подходит для большего количества задач, чем Hipparcos, хотя и имеет меньшую точность.

Каталоги Hipparcos и Tycho построены таким образом, что их система отсчета совпадает (в пределах точности наблюдений) с Международной небесной системы координат (ICRS) и время окончания каталога (1996 год) является лучшей. Вскоре после публикации Международный астрономический союз рекомендовал использовать каталог Hipparcos как опорную координатную систему. Из числа объектов каталога были исключены двойные звезды, некоторые переменные звезды и те, относительно которых есть сомнения в их точности. Полученная опорная система координат называется HCRF (англ. Hipparcos Celestial Reference Frame). Она признана реализацией ICRS в оптическом диапазоне.

На основе каталогов Hipparcos и Tycho-2 было подготовлено ряд Атласов звездного неба.

Результаты миссии

С учетом научной деятельности, связанной с осуществлением наблюдений и обработкой данных, стоимость миссии Hipparcos составила около 600 миллионов евро. К ней было привлечено около 200 европейских ученых и свыше 2000 работников промышленности.

Коротко результаты миссии HIPPARCOS можно изложить так:

определены пять астрометрических параметров (небесные координаты, параллакс, собственное движение) около 120 тысяч зрение с точностью, превышающей точность наземных наблюдений в 100 раз;
определены два астрономические параметры (небесные координаты) около миллиона звезд с точностью, превышающей точность наземных наблюдений в 5-10 раз;
для того же миллиона зрение определены фотометрические параметры (звездные величины) в двух лучах (B и V) системы UBV. Точность этих наблюдений несколько уступает лучшим наземным наблюдением, но они представлены в единой (однородной) фотометрические системы и равномерно охватывают все небо. Наблюдения в единой фотометрической системы для такого количества звезд выполнено впервые.
открыто более 8000 переменных звезд и свыше 3000 двойных звезд;
создан новый фундаментальный каталог, а также два других дополнительных каталоги, удовлетворяющие многим задачам астрономии гораздо лучше, чем каталоги, созданные на основе наземных наблюдений
Некоторые результаты являются не только точными, но и принципиально новыми. Например, определенные параллаксы являются абсолютными, а не относительными, как во время наблюдений с Земли.

По важности результатов для астрометрии эксперимент получил оценку как выдающаяся веха в истории астрономии.

« Теперь история астрометрии делится на до и после Гиппаркивськи периоды... »
- А.С. Харин, Главная астрономическая обсерватория Академии Наук Украины,

По данным библиографической системы NASA (NASA Astronomical Data Service) к запуску спутника опубликовано калькасот статей, содержащих обсуждение проекта (программу наблюдений, математические модели, расчет ожидаемой точности и т.п.). Сейчас в этой системе находится около 2000 статей со словом «Hipparcos» в названии и около 5000 - со словом «Hipparcos» в резюме.

Таким образом доказано, что в очень дорогом, но хорошо спланованованому эксперименте можно получить результаты, которые начинают новую эпоху в науке. Происходит разработка новых проектов с намерениями достичь увеличения точности точности еще в 10-100 и во столько же увеличить количество охваченных наблюдениями объектов. Одним из таких проектов является GAIA (Global Astrometric Interferometer For Astrophysics), запуск которого запланирован ЕКА на весну 2012 года.