/ 現(xiàn)代天體測量的發(fā)展

　　就像之前的六分儀、象限儀和子午環(huán)等天體測量儀器被照相底片測量技術(shù)取代一樣，自1980年代開始，照相底片逐漸從天文學(xué)中消失，超高靈敏的電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）在天文觀測中得到廣泛應(yīng)用，以其可重復(fù)記錄、靈敏、快捷、精確等優(yōu)點(diǎn)為天體測量帶來了一場革命性的變化。在觀測波段上，從可見光波段逐漸拓展到其他波段，如紫外和紅外波段等。這其中，美國海軍天文臺(tái)的UCAC(U.S. Naval Observatory CCD Astrograph Catalogue)系列天體測量巡天項(xiàng)目引領(lǐng)了這一新浪潮。在近紅外領(lǐng)域也進(jìn)行了類似的巡天觀測，特別是由馬薩諸塞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的2MASS(Two Micron All Sky Survey)紅外天巡天觀測，2MASS雖不是專門的天體測量巡天觀測，但其發(fā)表星表的位置誤差被天體測量人員校準(zhǔn)到了其測量能力的極限。

　　泛星巡天項(xiàng)目（Pan-STARRS），是一個(gè)引導(dǎo)對全天天體進(jìn)行位置和光度測量的時(shí)域天文觀測計(jì)劃。版權(quán)／Pan-STARRS

　　近些年，一些超大規(guī)模可見光或紅外地基巡天也逐步開始部署和工作，如歐洲南方天文臺(tái)的VLT（Very Large Telescope）巡天望遠(yuǎn)鏡、VISTA（Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy）可見光和紅外巡天望遠(yuǎn)鏡和Pan-STARRS巡天望遠(yuǎn)鏡等，而更宏大的項(xiàng)目--LSST（Large Synoptic Survey Telescope）大型巡視望遠(yuǎn)鏡也接近開光。這些大規(guī)模巡天雖然不是專門用于測量視差或高精度自行，但它們參考于前人創(chuàng)建的高精度天體測量星表，盡可能地使用多色濾光片測量天體位置和亮度，為天文學(xué)家們提供前所未有的海量天體觀測數(shù)據(jù)信息。

　　大規(guī)模巡天計(jì)劃雖然不是專門用于測量視差或高精度自行，但它們盡可能多使用多色濾光片測量天體位置和亮度，為天文學(xué)家們提供了前所未有的大數(shù)據(jù)信息。歐洲南方天文臺(tái)的VLT巡天望遠(yuǎn)鏡（VST）。版權(quán)／ESO

　　天體測量是天文學(xué)中獲得觀測目標(biāo)距離、運(yùn)動(dòng)和質(zhì)量等幾何和物理信息的主要手段。為實(shí)現(xiàn)各種不同的天體測量目的，需要使用各種不同的觀測手段。對地基光學(xué)觀測而言，其精度的進(jìn)一步提高受到以下幾個(gè)因素的限制：大氣抖動(dòng)、大氣折射以及地球運(yùn)動(dòng)等。除了大氣的影響，建立天球參考架的前提條件是有能力將大角距的不同目標(biāo)位置聯(lián)系起來，換句話說，可以測量大張角的天體間的夾角，這對建立全天球參考架有很大的用處，可以避免很多導(dǎo)致參考架剛性減弱的微小錯(cuò)誤。另外，大角度觀測也是獲得絕對視差和自行的關(guān)鍵。

　　典型的一種觀測儀器就是隨地球自轉(zhuǎn)的子午環(huán)。隨著地球自轉(zhuǎn)，不同天區(qū)的大角距目標(biāo)被不斷地觀測。這類儀器的觀測緯度區(qū)域大小取決于該儀器的地理緯度。為了對全天球進(jìn)行覆蓋和獲得必需的重疊天區(qū)，需要將幾個(gè)這樣的儀器適當(dāng)?shù)胤植荚诘厍虮砻妫撬鼈兊挠^測結(jié)果將包含各自的儀器系統(tǒng)誤差，也將包含地球大氣層對觀測的影響。而空基天體測量可以有效避免大氣對天體定位的影響。空基望遠(yuǎn)鏡對全天球的可視性及其所處的熱穩(wěn)定環(huán)境對實(shí)施高精度天體測量觀測有很大的好處，這些條件對基于大角度觀測的全天球絕對天體測量至關(guān)重要。

　　歐洲空間局ESA（European Space Agency）于1989年發(fā)射了依巴谷(Hipparcos)衛(wèi)星，成為空間大角度天體測量的里程碑項(xiàng)目，在其四年工作期間（1989年9月至1993年3月），傳回了高質(zhì)量的天體測量觀測數(shù)據(jù)。1997年正式發(fā)表的依巴谷星表，包括了近12萬顆恒星在J1991.25歷元的高精度位置、視差、自行和測光數(shù)據(jù)，其位置、視差精度已優(yōu)于1毫角秒，自行已優(yōu)于0.25毫角秒/年，并從1998年起作為光學(xué)波段的天球參考架取代了基本星表FK5。但依巴谷星表并未將所有觀測數(shù)據(jù)都使用上，只是重點(diǎn)挑取了一些亮星，以保證星表整體精度都非常出色，這使得其星等覆蓋不完備、天區(qū)密度非常低。隨后歐空局發(fā)表第谷-2星表，包括了250多萬顆星，密度較依巴谷提升了8倍多，它的位置和測光數(shù)據(jù)均來源于依巴谷衛(wèi)星的觀測，位置平均觀測歷元為J1991.5，整體位置精度為6-60毫角秒左右，其自行數(shù)據(jù)融合了地面歷史上140多部天體測量星表的結(jié)果，自行精度大約為2.5毫角秒/年。

　　歐洲空間局于1989年發(fā)射了依巴谷(Hipparcos)衛(wèi)星，成為空間大角度天體測量的里程碑項(xiàng)目，在其四年工作期間（1989年9月至1993年3月），傳回了高質(zhì)量的天體測量觀測數(shù)據(jù)。版權(quán)／ESA

　　2013年12月，歐洲空間局成功將第二代空間天體測量衛(wèi)星——蓋亞（Gaia）發(fā)射到了日地L2點(diǎn)，這是繼依巴谷(Hipparcos)衛(wèi)星之后又一個(gè)極其重要的天體測量里程碑任務(wù)。Gaia的主要工作是對全天進(jìn)行天測、測光和低分辨光譜觀測。到目前，經(jīng)過近九年的大角度掃描巡天觀測，Gaia對天體位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的最高測量精度已達(dá)10微角秒水平，Gaia第三批釋放的數(shù)據(jù)DR3中給出了前所未有的近15億顆恒星的位置、視差和自行之外，還測量了約3000多萬顆恒星的視向速度信息，目前gaia巡天觀測還在繼續(xù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)品也將越來越精細(xì)和多元。利用這些數(shù)據(jù)，Gaia能夠精細(xì)地描繪出銀河系的大尺度結(jié)構(gòu)，并以新的理念直接構(gòu)筑高密度、高精度的天球參考架，是天體測量史上一次重大飛躍。中國科學(xué)院上海天文臺(tái)于2014年參與Gaia觀測數(shù)據(jù)處理工作，并在2015年6月正式成為Gaia數(shù)據(jù)處理與分析委員會(huì)DPAC（Data Processing & Analysis Consortium）天體測量核心處理單元CU3成員，為Gaia天體測量數(shù)據(jù)處理提供獨(dú)立檢驗(yàn)，提出了校驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)定性的創(chuàng)新想法并在軟件上得以實(shí)現(xiàn)，參與了光學(xué)天球參考架的構(gòu)建和特性評(píng)估等工作。

蓋亞衛(wèi)星示意圖

　　/ 總結(jié)與展望

　　歷史還將繼續(xù)被書寫，早在依巴谷衛(wèi)星成功發(fā)射后，天文學(xué)家們就開始提出更雄心勃勃的計(jì)劃來繪制宇宙中各類天體的三維星圖。這些巡天計(jì)劃包括：德國DIVA衛(wèi)星任務(wù)、美國航天局的空間干涉測量任務(wù)（SIM，以前也被稱為SIM Planet Quest）、美國海軍天文臺(tái)的各種計(jì)劃（FAME、AMEX和JMAPS），歐空局ESA的Theia、NEAT以及Gaia的后續(xù)計(jì)劃NIR-Gaia，俄羅斯的OSIRIS和LIDA、日本的JASMINE和Nano-JASMINE，以及中國的STEP/CHES和ASTRO等。雖然由于技術(shù)、成本等考慮，其中許多已被擱置一旁，但這本身已凸顯了空間天體測量的重要性。

　　在依巴谷衛(wèi)星成功發(fā)射后，天文學(xué)家們就開始提出更雄心勃勃的計(jì)劃來繪制宇宙中各類天體的三維星圖。圖為美國航天局未來的空間干涉測量任務(wù)（SIM）。版權(quán)／NASA

　　我國計(jì)劃于2023年前后發(fā)射自己的空間巡天望遠(yuǎn)鏡——中國空間站巡天空間望遠(yuǎn)鏡（China Space Station Telescope, CSST），這是一架和中國空間站伴飛的望遠(yuǎn)鏡，它的口徑2米，焦距近30米，是中國載人航天工程的重大科學(xué)項(xiàng)目。CSST預(yù)計(jì)于2024年左右開始科學(xué)巡天工作，巡天任務(wù)為期10年。在觀測期間，CSST將與空間站相同的軌道上獨(dú)立飛行，同時(shí)和空間站保持較大的安全距離，必要時(shí)可通過機(jī)械臂進(jìn)行維護(hù)。

　　CSST對比國際上同時(shí)期的其他項(xiàng)目，比如歐空局預(yù)計(jì)2024年發(fā)射的Euclid空間望遠(yuǎn)鏡，美國預(yù)計(jì)在2025年發(fā)射的Nancy Grace Roman空間望遠(yuǎn)鏡（原名WFIRST望遠(yuǎn)鏡）等，CSST具有波長覆蓋廣、角分辨率高以及其天區(qū)覆蓋面積大等優(yōu)點(diǎn)。CSST巡天極具科學(xué)競爭力，有望在天文學(xué)與基礎(chǔ)物理學(xué)前沿領(lǐng)域（如宇宙學(xué)、星系科學(xué)、恒星科學(xué)與天體測量科學(xué)等）取得重大突破，引領(lǐng)國際光學(xué)天文的發(fā)展。在天體測量領(lǐng)域，CSST非常適合于對20-25星等之間的天體開展天體測量工作，為天文探索提供尋寶地圖和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　Gaia任務(wù)的成功觀測，讓人類在天體測量的精度上達(dá)到了前所未有的10微角秒水平，并使得人類對精準(zhǔn)測定天體距離和自行的范圍擴(kuò)大到了銀河系邊緣。隨著人類對黑洞、暗物質(zhì)和暗能量以及各類天體與生命起源演化等問題的持續(xù)不斷探索，1微角秒精度測定天體距離和運(yùn)動(dòng)已經(jīng)成為解決這些問題的關(guān)鍵突破口之一，有望為天文學(xué)研究帶來下一個(gè)革命性的變革。

　　——本文選自《中國國家天文》11月刊

　　作者簡介 /

　　齊朝祥，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員，研究方向是天體測量學(xué)及其應(yīng)用。

　　廖石龍，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)副研究員，研究方向是空間天體測量學(xué)。