中国学科发展战略·基本天文学

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第一章天体测量学

第一节战略地位

天体测量学是天文学中最古老的学科分支，传统上以研究天体的位置、形状、大小、运动规律等为主，并与大地测量（测时和测纬）、航海导航（方位测量）、时间测量、历法历算、天象预报预测等研究密不可分，同时为天文观测归算和天文仪器方法等研究提供基础支撑。在现代天文学研究中，天体测量学是其最基础的研究。无论是天体力学定轨问题还是天体物理中的光度、光谱观测等，天体测量的方法和手段都必不可少。近一二十年来，天体测量的发展极为迅速，已经成为世界各大科技发达国家重要竞争的一个主要领域，天体测量学的研究现状也在相当程度上体现了一个国家天文学研究的综合实力。

天体测量学在基本天文学领域占有核心地位。从国际天文学联合会（International Astronomical Union，IAU）基本天文学各研究方向的结构布局来看，天体测量学与其他方向交融至深、密不可分。天体测量不仅从观测上提供了基本天文学研究所需的基本数据，同时天体测量学自身理论、测量方法、研究手段等也直接为基本天文学的研究开辟了新的视野。

天体测量学的中心任务是建立、维持和扩展高精度天文参考架，满足不同层次、不同观测和研究对象对天文参考架的迫切需求。因此建立参考系的理论和参考架的实现是天体测量学的核心工作。在参考系理论研究方面，随着毫角秒乃至微角秒精度水平观测技术的实现，参考系基础理论出现了一系列的变化，包括相对论参考系理论及观测数据处理问题，新天文常数系统，天文参考架的重新定义等。在参考系的实现方面，甚长基线干涉测量技术（verylong baseline interferometry，VLBI）和空间技术等在很大程度上已经取代了经典技术，成为高精度资料的最主要来源。随着天文学研究向全波段迈进，多波段天文参考系也是参考系研究的一个新方向。

随着观测技术和手段的进步，现代天体测量研究领域已经从传统的以“测量”为主的研究工作，扩展到天文学研究的方方面面，特别是银河系结构等研究领域。目前，天体测量高精度观测数据已经被广泛用于宇宙距离尺度、系外行星系统、脉冲星等天文学热点研究领域。在应用天文学领域，天体测量手段已在空间探测等研究中占据了特殊地位。

一、微角秒和多波段天球参考架及其参考系的联结

天体测量的核心内容之一是建立、维持和不断扩充天文参考架，以满足天文研究、大地测量、航空航天等相关学科的需求。现代天文已经步入从射电到高能波段的全波段观测时代，不同波段天文参考系的建立对相关研究尤为重要。同时，随着观测精度和观测技术的进步，参考系的理论研究也需要不断发展，以适应学科自身发展及相关应用研究的需求。不同观测波段参考架的实现方法、连接手段对于现代天文观测起着最基础的支撑作用。

基本天文学研究的最重要任务之一就是研究获得高精度天球和地球参考架的理论、观测技术、实现方法。天球参考架的最主要参数就是一组可观测的天体位置和速度，地球参考架的最主要参数就是一组地球表面上的有观测设备的台站坐标和速度。看起来这一组几何量非常明确、简单，但是要获得高精度天球和地球参考架却是一个极复杂的过程。从有光学望远镜开始，人类为了获得一个好的星表，都需要用望远镜观测天体，但是地球运动（如岁差、章动和地球自转）会干扰观测，因而需要研究地球本身的运动。同样，人类早就认识到需要观测天体以确定自己在地球上的位置。为了获得高精度和自洽的地球参考架，必须对天体观测而不是对地面目标观测。直至今天，虽然天文学理论和观测技术获得了长足的发展，但是实现参考架的基本原理（角距测量）仍然没有改变。

二、高精度天体测量及其应用研究

天体测量主要测定天体的几何信息，包括各类天体的三维空间位置和运动、姿态及转动速度、大小与形状等参数。与天体的辐射测量（包括多波段辐射强度的测定、光谱测量）以及其他测量（如引力场/波、磁场、中微子等的测量）一起组成的观测天文学，为理论天文学研究提供了基础数据。除了为天文学（也包括地球物理学）研究提供数据资料外，高精度天体测量还可直接应用于人类社会生活的很多领域，如时间服务（授时、历法）、方位服务（航海、航空、大地测量）以及各类空间目标的精密测量等（航天、测控），这部分工作组成实用天文学，它是天文学的一个分支。

在太阳系天体测量观测应用方面，观测对象包括了所有行星及其卫星、小行星（及其卫星）、近地天体（NEO）、对地球有潜在威胁的小行星（PHA）、系外天体以及彗星。不同的观测对象常采用不同的观测方法或技术：可以是切平面天体测量、雷达测量技术、VLBI 较差测量技术以及月球激光测距（LLR）。

太阳系天体测量研究的意义和战略地位包括：

（1）空间导航方面。我国正在蓬勃发展空间探测与空间科学研究，空间导航的科学需求将变得越来越迫切，太阳系天体测量的资料能用于建立高精度的天体轨道历表，对空间导航具有决定性的作用。

（2）碰撞风险评估方面。近地天体有可能与地球碰撞，因此近地天体（尤其是 PHA）的观测及相关工作显得非常重要。作为一个发展中的大国，积极开展近地天体的观测与研究，并实际投入到保护地球环境的国际活动中，是我国天文工作者应尽的义务。

（3）太阳系基本动力学和行星物理研究的需要。广义相对论的验证，非引力效应的研究（如 Yarkovsky 效应），行星系统的潮汐、混沌规律等太阳系结构和演化的研究非常依赖于太阳系天体的高精度定位观测。

（4）空间探测尤其是深空探测。利用 VLBI 较差测量探测器与河外源的相对位置可以高精度测量被探测天体的位置。因此，加密观测参考架中源的密度并研究其稳定性具有前瞻性的意义。这一工作也是目前国际天球参考架的基础性工作。

三、银河系结构和宇宙距离尺度测量

人类从很早就开始关注横贯在夜空中的银河了，东西方都曾对银河进行了大量的描述，相关的神话传说也是不计其数。但是，人类对银河的科学认识是在使用望远镜后才开始的。从伽利略第一次用自制的单筒望远镜观测了银河，发现银河其实是由无数的恒星组成，到哈勃通过确定星云 M31 中造父变星的距离，证明银河系只是宇宙众多星系中的普通一员。人类对银河系认识的一次次飞跃都是和天文观测密不可分的，天文观测是一切天文研究的基石。

图 1-1 为银河系结构示意图。

现在我们认识到，银河系是一个盘星系，主要分为银盘、核球、银晕等几部分。但是，银河系天文学研究中仍然存在着很多目前尚未解决的问题。例如，银河系的大尺度结构和子结构，银河系各个组成部分的形成历史，银河系整体的化学演化历史，银河系和周围矮星系的相互作用情况，银河系中暗物质晕的分布情况等。对这些问题的深入研究，都需要利用大样本恒星的运动学、动力学和物理化学等信息。相比较于传统的望远镜观测计划，现代的大规模巡天计划能够在相对较短的时间内获取大量的天体观测数据，使得对银河系结构和演化进行全面的研究成为可能。天体测量为天文学的各项研究提供天体位置、距离、速度等基本数据，天体测量的精确资料在天文学研究中具有广泛的应用，尤其在银河系结构和动力学演化领域、高精度天体测量数据的获取将起到关键性作用。目前空间和地面的观测设备往往能同时提供天体的位置、距离、光度、光谱、自行和视向速度等多种参数的测定，以此构成天文学研究更为全面的基本数据。新技术、新方法、新成果的应用极大地拓展了天体测量学的范围。依巴谷（Hipparcos）卫星星表的发表、新参考系的引入、时间尺度的完善和 CCD 技术的应用，使天体测量进入一个新的时代。而天体测量卫星 Gaia 还将提供近 10 亿颗恒星的庞大数据源，空间天体测量将开拓全新的境界。

天体距离的测定对研究其物理性质起到了关键作用。从恒星大小、质量、光度，到哈勃常数的测定、距离尺度都起着特别重要的作用。宇宙距离尺度的直接测定是一项非常困难的任务，并且大多数情况下是无法直接测定的，因而在不同距离尺度的天体定标中，分别采用了所谓绝对定标和相对定标的办法，形成对不同对象测量的距离阶梯。天体测量方法所提供的天体距离为宇宙距离阶梯中的相对距离估计提供了一种绝对定标。到目前为止，三角视差法是对太阳系以外的天体距离进行直接测量的唯一方法，因而恒星三角视差也是宇宙距离阶梯中最基础的一阶阶梯。除了三角视差之外，天体测量方法还能提供银河系中各种距离估计的有效手段，因此对银河系结构、运动学和动力学等问题的研究有特殊作用。