работа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Харьковский Национальный Университет

им. В.Н. КАРАЗИНА

Кафедра Астрономии

Курсовая работа

Факультет: Физический

Группа: ФА - 21

Студент: Кажанов В.В.

Харьков – 200
4

Введение

Для решения большого количества проблем необходимо иметь каталог по крайней мере 100 000 звёзд в оптическом диапазоне волн. В течение 20 лет Европейским космическим агентством велись подготовительные работы по созданию такого каталога на основе космических наблюдений. 8 августа 1989 года был запущен в околоземное пространство специальный спутник для измерения расстояний до звёзд, их координат и других характеристик. Проект, готовившийся два десятка лет и реализованный в 1989-1993 гг., получил название "HIPPARCOS". Эта аббревиатура, расшифровывающаяся как High Precision Parallax and Coordinate Satellite ("Спутник для высокоточного определения параллаксо
в и координат"), созвучна имени древнегреческого астронома Гиппарха, составившего первый в истории астрономии список 850 ярких звезд на небе, разделив звезды по яркости на шесть величин; ввеёл понятия географических широт и долгот, разработал способ предсказания сол
н
ечных и лунных затмений. [5]

Из-за сбоя двигателя во время старта миссия фактически началась в ноябре 1989 г. на очень эллиптической орбите, вместо номинальной геостационарной. Сбор данных продолжался 37 месяцев, потом начались поломки гироскопов, а в июне 1993 отказал бортовой компьютер. Связь со спутником была полностью прекращена 15 августа 1995 года по решению центра управления в Дармштадте.

Результатом проекта "HIPPARCOS" стал каталог "HIP" с координатами и другими характеристиками 118 218 звезд, среди которых почти все звёзды, которые ярче 9-й звёздной величины, а самые слабые имеют звёздную величину 12,4. Средняя погрешность для координат звёзд каталога составляет около 0.001 угловой секунды – это аналогично измерению толщины человеческого волоса на расстоянии 10 километров. Почти на два порядка величины лучше, чем дают самые хорошие наземные каталоги фундаментальных положений. Кроме того, впервые точно определены расстояния до более чем 100 тыс. звезд. Спутником "HIPPARCOS" открыты 2910 звезд с криволинейным перемещением по небу (т.е. звезд с невидимыми спутниками). Были измерены звёздные величины и цвета свыше миллиона звёзд. Открыто несколько тысяч двойных звёзд. Число известных переменных звёзд более чем удвоилось. К сожалению, спутник не мог определять лучевые скорости, т.к. из-за неудачного старта отклонился от запланированной геостационарной орбиты.

Столь сложный и дорогостоящий проект имеет много преимуществ перед земными наблюдениями. Наблюдения с Земли происходят сквозь атмосферу, которая никогда не бывает спокойной. Даже если построить очень точные телескопы для измерения движений звёзд, то 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.

Конструкция ИСЗ HIPPARCOS

Чтобы достичь целей высокоточной глобальной астрометрии, т.е. определения астрометрических параметров звезд по всей небесной сфере с одинаковой точностью, принцип измерения должен позволять определять большие углы (порядка радиана) с точностью около 0,001’’. С этой целью телескоп, установленный на ИСЗ HIPPARCOS совмещал в фокальной плоскости два поля зрения, разделённые на небесной сфере углом в 58°. Размеры рабочей области части фокальной плоскости менее одного квадратного градуса.

Регистрация наблюдений осуществлялась с помощью одномерной решётки с щелями, установленной так, что щели располагаются перпендикулярно направлению сканирования. Для устранения в стадии обработки наблюдений ошибок наложения результатов соседних сканирований друг друга необходимо знать положения осей спутника с точностью в 0,1’’. А для этого в стадии выполнения наблюдений ориентировка спутника должна бить известна с точностью в 1’’. С этой целью в фокальную плоскость телескопа были введены две дополнительные системы «картирования звезд» (star mapping system), состоящие из нескольких щелей специальной геометрии. Необходимая точность ориентировки ИСЗ получалась из данных о моментах прохождения звёзд с хорошо известными координатами и данных от гироскопов. [2]

Конструкция телескопа была отобрана из сравнительного анализа шести оптических систем: Refractive Schmidt, All-reflective Schmidt, Schmidt-Cassegrain, All-reflective Schmidt-Cassegrain, Baker 3 mirror, Corrected Ritchey-Chretien. Отбор вёлся по следующим критериям: малое центральное затемнение (т.е. препятствия на пути лучей), минимум асимметричных аберраций, малочувствительность к остаточной нецентрированности, достаточная невосприимчивость к рассеянному свету, степень кривизны фокальной поверхности, трудоемкость изготовления отражающих поверхностей, возможность применения в космической технике. В результате, не сразу, окончательно была выбрана система All-reflective Schmidt.

Одной из трудных проблем стало изготовление составного зеркала, выполняющего две функции. Во-первых, оно совмещает два поля зрения в одно изображение и поэтому состоит из двух половинок, наложённых одна относительно другой на 29°. Во-вторых, оно выполняет роль коррекционной пластинки в традиционной схеме телескопа Шмидта, т.е. отражающей поверхности должна была быть придана специальная асферическая форма для корректировки эффектов сферической аберрации.

В состав оптической схемы инструмента входят также набор решёток, размещённых в фокальной плоскости, передающая оптика основного приёмника излучения и передающая оптика системы картирования. Фокальная поверхность оптической системы телескопа имеет кривизну и, следовательно, поверхность основной решётки и решётки системы картирования также должны быть соответствующим образом искривлены. Эти решётки нанесены на кварцевое основание, которое имеет кривизну, равную кривизне поля телескопа. В состав системы решёток входят также линзы поля и две призмы, отклоняющие лучи в системе картирования в соответствующие приёмники. Система решёток вместе с соответствующей передающей оптикой может перемещаться вдоль оптической оси телескопа для устранения дефокусировки, которая может возникнуть в процессе эксплуатации. В следующей таблице приведены некоторые параметры инструмента.

В качестве приёмника излучения использовался диссектор – устройство, позволяющее использовать для приёма сигнала в каждый конкретный момент лишь часть поверхности фотокатода. Заданная принимающая область определяется магнитным полем в трубке диссектора, формируемым внешними магнитными катушками подобно системе используемой в телевизионной трубке. Таким образом, можно ограничить размер принимающей области кружком в 30’’ в диаметре, что позволяет резко ограничить приём излучения одновременно от двух или более звёзд, добиться значительного ослабления фона неба. Диссектор позволяет также сделать измерения звёзд в поле зрения квази-одновременными путём частого переключения с одной звезды на другую при их одновременном прохождении по решётке. Передача изображения на фотокатод диссектора осуществляется с помощью передающей оптики, включающей в себя и вращающееся зеркало, позволяющее направлять изображение и на запасной диссектор.

В процессе разработки и осуществления проекта неоднократно поднимался вопрос о конструкции приемника. От предложения использовать в качестве приемника ПЗС-матрицы отказались, т.к. на момент проектировки и сборки ИСЗ отсутствовал достаточный опыт использования ПЗС в космической технике, также его высокая стоимость, и резкое увеличение количества передаваемой на Землю информации.

Ориентировка спутника вычислялась по данным гироскопов и системы картирования. Гироскопы давали главным образом короткопериодические вариации ориентировки, а система картирования позволяла корректировать дрейф гироскопов, т.е. выявляла долгопериодические составляющие в изменении положения ИСЗ.

Поддержание стабильного вращения ИСЗ вокруг двух осей (сканирование с периодом 2 ч 08 мин и прецессионное движение с периодом 57 суток) осуществлялось шестью устройствами, содержащими под давлением холодный газ.

В проекте была предусмотрена термическая защита и активный термический контроль составляющих оптической системы. Особо важные элементы, как, например, составное зеркало и другие зеркала телескопа контролировались бортовой ЭВМ с помощью термодатчиков. Составное зеркало было изготовлено из материала с «нулевым» коэффициентом теплового расширения и по техническим данным постоянство задаваемого им угла выдерживалось с точностью до 0,001’’ в сутки.

Основные этапы функционирования ИСЗ кратко можно сформулировать следующим образом.

1. Обработка данных от системы картирования и гироскопов для определения ориентировки ИСЗ.

2. Проведение корректировки положения спутника.

3. Вычисление положений звёзд на основной решётке с использованием входного позиционного каталога и списка координат звезд, хранящихся в Э

4. Отбор данных для наблюдений из имеющихся в данный момент на решётке.

5. Сбор данных с диссектора и системы картирования и передача их на станцию приёма (Michelstadt, ФРГ).

6. Проведение температурного контроля составляющих оптической системі и компонентов ИСЗ.

HIPPARCOS и результаты наземных наблюдений

Охота на невидимку

За четыре года наблюдений спутник "HIPPARCOS" смог обнаружить криволинейное перемещение множества звезд по небу.

Рис. 1
Криволинейное движение звезды по небесной сфере, вызванное невидимым массивным небесным телом.

Для многих из них период обращения видимой звезды вокруг невидимого центра звездной системы составляет десятки лет, и чтобы увидеть полноценную замкнутую орбиту звезды в пространстве, необходимо наблюдать звезду в течение длительного времени. Только тогда можно определить важные характеристики звездной системы с невидимым объектом: общее число звезд, планет и других тел в звездной системе, расстояние между ними, их массу, период обращения и другие элементы орбиты каждого тела звездной системы. Для исследования всякой звезды с невидимым спутником надо ждать десятилетия, пока звезда не замкнет орбиту.

Звезды с невидимыми спутниками можно изучать сегодня по старым наблюдениям положений звезд на небе, выполненным с Земли. Хотя точность наземных наблюдений намного хуже, чем результатов спутника "HIPPARCOS" (примерно в 100 раз!), но наземные наблюдения выполняются на разных телескопах уже более 100 лет. Над объединением точных наблюдений спутника "HIPPARCOS" и длительных наземных наблюдений сейчас работают несколько групп ученых в институтах и обсерваториях разных стран.

Точность + Длительность

Положение одной и той же звезды на небе определялось разными наземными телескопами в разные годы. Каждый телескоп несовершенен и находит положение звезды с какой-то ошибкой. Даже если проводить наблюдения звезды с помощью одного и того же телескопа много лет, остаются неясным, "петляет" ли звезда на небе, или очень медленно покачивается сам телескоп. Был предложен способ исправления наземных измерений используя космические измерения спутника "HIPPARCOS".

Допустим, координата звезды в каком-то каталоге, составленном по данным наземного телескопа, отличается от координаты той же звезды в Каталоге "HIP", полученном спутником "HIPPARCOS". Ошибочны ли наземные измерения, или звезда изменила свое положение на небе? Нам пришлось разделить все звезды на две группы: - подавляющее большинство звезд, даже если они и имеют какие-то невидимые спутники, никак этого не проявляют. На современном этапе развития астрономии мы можем считать такие звезды одиночными; - меньшинство звезд - известные или подозреваемые двойные и кратные звездные системы. Сам спутник "HIPPARCOS", например, открыл (но не исследовал) тысячи таких систем.

Одиночные звезды перемещаются на небе по прямым известным нам образом, поэтому если координата одиночной звезды на небе, определенная наземным телескопом, отличается от координаты, измеренной спутником "HIPPARCOS", то сразу заметна ошибка наземного телескопа, которую можно вычислить. Таким образом мы можем узнать и исправить неточности наземных измерений. Предполагая, что наземный телескоп одинаково ошибается при измерениях для одиночной и двойной звезд на одну и ту же величину, мы корректируем измерения и для двойных звезд. Теперь оставшиеся изменения в положении звезды, по данным разных каталогов, отражают ее реальное перемещение по небу. Так мы можем сравнивать и анализировать измерения положений звезд с невидимыми спутниками, выполненные на разных телескопах в разные годы. В качестве примера на рисунке показаны результаты наблюдений положения звезды в созвездии Цефея (у нее есть имя - Алрай и номер 116727 из Каталога "HIP"). Эта звезда весьма интересна: старая красная звезда с массой, как у Солнца, довольно близка к нам и, возможно, имеет планетную систему. Невидимый спутник этой звезды, вызывающий ее орбитальное движение, должен быть весьма массивным. Скорее всего это белый карлик. По нашим данным можно достаточно уверенно указать, где именно на небе стоит искать его в ближайшие годы.

Рис. 2.
Изменение со временем координат звезды Цефея: точками отмечены результаты наземных астрометрических наблюдений в разные годы. Толстой кривой около 1990 г. отмечен результат спутника "HIPPARCOS", по всем результатам проведена тонкая кривая - часть видимой орбиты звезды вокруг невидимого центра звездной системы, примерное положение которого показано звездочкой. Отмеченные годы отражают положение звезды на орбите. Координаты даны в угловых секундах. Наблюдения в течение 70 лет не покрывают всю орбиту (тонкая кривая незамкнута), полный период обращения - более 100 лет. [4]

Подобные результаты получены для нескольких десятков ярких звезд. Для каждой из них определены период обращения и другие характеристики членов звездной системы, включая предполагаемое положение массивного невидимого тела. Без этих данных обнаружение невидимых спутников звезд с помощью больших телескопов практически невозможно. Планируется исследовать все 2910 звезд с массивными невидимыми спутниками из Каталога "HIP" и составить первый в мире список этих объектов, который позволит искать невидимые массивные спутники звезд с помощью крупнейших телескопов на Земле и в космосе.

Проект GAIA

GAIA (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics – Глобальный астрометрический интерферометр для астрофизики) – астрометрическая обсерватория нового поколения планируемая к запуску в 2010 г. Исследовав около миллиарда звезд, планируется составить новую трехмерную карту нашей Галактики с беспрецедентной точностью. В течение 5 лет каждая изучаемая звезда будет наблюдаться около 100 раз. Планируется точное определение параллаксов звёзд, их собственной движение, изменения яркости, а также данные об их температуре, гравитации и химическом составе.

Ожидается, что GAIA обнаружит сотни тысяч новых астрономических объектов, таких как внесолнечные планеты и «недозвезды» – коричневые карлики. В пределах Солнечной системы КА должен опознать десятки тысяч астероидов. За это время будет также открыто около 50000 сверхновых, и не исключено, что могут быть найдены новые занептунные объекты. Благодаря полученной информации, станут более понятны происхождение, структура и эволюция нашей Галактики. Расчетная «производительность» GAIA впечатляет: ежедневно, по средним оценкам, будет открываться около 100 астероидов в Солнечной системе, 30 новых звезд с планетными системами (всего – от 10 до 50 тыс новых планет), 50 новых звезд, взрывающихся в других галактиках, и 300 новых далеких квазаров. Кроме того, будут выполнены тесты по проверке теории относительности.

С течением времени первоначальный проект GAIA, помимо интерферометрии, был дополнен новыми задачами. Название аппарата осталось прежнее, хотя оно не в полной мере отражает используемые методы изучения.

Научный комплекс GAIA

Полезная нагрузка КА GAIA состоит из трех телескопов. Два идентичных трехзеркальных телескопа с апертурой 1400х500 мм2
(названные Astro-1 и Astro-2) будут работать в интересах астрометрии, а третий с апертурой 500х500 мм2
(Spectro) – в интересах спектрометрии.

Наблюдения будут одновременно проходить в двух направлениях под углом 106° друг к другу. При этом будет просматриваться один и тот же большой круг на небесной сфере. Вся небесная сфера будет систематически сканироваться таким образом, что наблюдения за несколько лет позволят полностью разделить астрометрические параметры, описывающие движения звезд, и расстояния до них.

Зеркала телескопов GAIA будут способны собирать в 30 раз больше света в сравнении с Hipparcos, а большее количество получаемого света подразумевает более чувствительные и точные измерения. Вообще, GAIA будет определять положение и перемещение звезд с 200-кратным превосходством в точности. ПЗС-матрицы будут работать в таком режиме, что изображения многих астрономических объектов будут получаться одновременно, тогда как фотокатоды, использовавшиеся на Hipparcos’е, позволяли получать информацию только с одного объекта за раз.

За пять лет работы GAIA в космосе на Землю будет передано такое количество данных, что даже после программного «сжатия» для их хранения потребуется около 21000 Гбайт пространства носителей информации. Возникает проблема разработки нового ПО, которое будет гарантировать надежную ретрансляцию данных на Землю и их хранение.

В состав целевой полезной нагрузки также включается «оптико-механическо-тепловая» сборка, в которую входят:

- общая конструкция, являющаяся опорой для всех зеркал и аппаратуры фокальной плоскости;

- развертываемое солнцезащитное устройство (чтобы избежать прямого освещения Солнцем и вращающихся теней на ПН);

- механизмы для обеспечения сверхустойчивой внутренней температурной среды;

- механизмы юстировки для обеспечения микронной точности относительного положения элементов;

- непрерывный мониторинг «базисного» угла.

Нужно отметить высочайшую точность наблюдений GAIA. Для сравнения можно сказать, что если бы аппаратура GAIA находилась, скажем, на Луне, то оттуда можно было бы увидеть очертания людей на Земле; с ее помощью можно разглядеть человеческий волос с расстояния 1000 км. Измерения будут охватывать расстояния до 30000 световых лет.

Запуск GAIA планируется в июне 2010 г. ракетоносителем семейства «Союз-Фрегат», после чего будет выведена в точку либрации L2 (1.5 млн. км от Земли в направлении от Солнца) с целью защиты ее приборов от «солнечного ветра». Обязанности центра управления возложены на Европейский центр космических операций (ESOC) в Дармштадте (Германия).

Список литературы:

1. Астрономия и История Науки. Санкт-Петербург, 1999. – 288 с.

2. Итоги науки и техники. Серия: Астрономия. Том 30. Новые методы создания координатных систем. Москва, 1987. – 162.

3. http://www.astrolab.ru/ (Об Астрономии>Астрометрия (Часть 1,2)).

4. http://www.nature.ru/ (Наука>Астрономия>Астрофизика>Популярные статьи>Тени звёзд. Г.А.Гончаров
).

5. http://www.astronet.ru/ (Статьи>Успехи астрометрии. В.В. Витязев. 1999).