Астрономиялық ефемеридалар уақыт стандарты

Кіріспе

Астрономиялық эфемеридаларда қолданылатын уақыт стандарты

Эфемерид уақыты (көбінесе қысқартылып ET) термині принципі бойынша кез келген эфемеридпен (астрономиялық объектінің траекториясының жоспары) байланысты уақытқа қатысты болуы мүмкін. Іс жүзінде ол негізінен былай қолданылды: 1952 жылы Халықаралық астрономиялық одақ (IAU) қабылдаған және 1970-ші жылдарда тоқтатылған бұрынғы стандартты астрономиялық уақыт шкаласы. Бұл уақыт шкаласы 1948 жылы, нашар тұрақты орташа күн уақытының кемшіліктерін жою мақсатымен ұсынылды. Мақсат – сол кезде мүмкін болғанша, Ньютон теориясына негізделген біртекті уақытты анықтау болды (төменде: Эфемерид уақытының анықтамасы (1952)). Эфемерид уақыты – динамикалық уақыт шкаласы тұжырымдамасының алғашқы қолданылуы, онда уақыт пен уақыт шкаласы ашық түрде айтылмайды, астрономиялық объектінің қозғалысының динамикалық теориясы арқылы байқалатын орнынан шығарылады. Сонымен қатар, бұл – қазіргі заманғы релятивистік координаттық уақыт шкаласы, JPL эфемерид уақытының Teph аргументі арқылы сандық интеграцияланған даму эфемеридтерінің сериясында іске асырылған. Олардың ішінде кеңінен қолданылатын DE405 эфемериді бар. Teph арқылы ұсынылған уақыт шкаласы қазіргі IAU стандарты ретінде қабылданған TCB уақыт шкаласымен тығыз байланысты, бірақ одан өзгеше (айырма және тұрақты жылдамдық бойынша). Келесі бөлімдердің көпшілігі 1952 жылғы стандарттың эфемерид уақытына қатысты. Кейде эфемерид уақыты 1900 жылдан бері қолданылып келген деген пікір туды: бұл, әдетте, ET 1948–1952 жылдары ұсынылып, қабылданғанымен, 1900 жылғы 0 қаңтардағы және Ньюкомбтың Күн кестелерін ретроспективті түрде пайдаланған формулалармен егжей-тегжейлі анықталғандықтан болды. 1952 жылғы стандарттың эфемерид уақыты өзінің тарихи бірлігі – эфемерид секунды арқылы мұра қалдырды, ол қазіргі стандартты СИ секундының ұзындығымен жақын қайталанады (төменде қараңыз: Секундтың қайта анықталуы).

Тарих (1952 жылғы стандарт)

1952 жылы стандарт ретінде қабылданған эфемерид уақыты (ET) бастапқыда Жердің айналуындағы ретсіздіктердің әсерінен босатылатын бірыңғай уақыт шкаласы ретінде, «астрономдар мен басқа ғалымдардың ыңғайлылығы үшін» жасалған. Мысалы, Күннің (Жерден байқалғандай), Ай мен планеталардың эфемеридтерін құру үшін қолданылды. Оны 1948 жылы Г.М. Клеменс ұсынған. Джон Флэмстидтің (1646–1719) кезінен бастап Жердің күнделікті айналуы біркелкі деп есептелген. Бірақ XIX ғасырдың соңы мен XX ғасырдың басында астрономиялық өлшеулердің дәлдігі артып, Жердің айналуының (күннің ұзындығы) қысқа мерзімде бұзылыстар көрсетіп, ұзақ мерзімде баяулап бара жатқаны күдік тудырды, соңында бұл факті анықталды. В. де Ситтер (1927) осы мәселе бойынша жинақталған дәлелдерді келтірді және былай деп жазды: «Егер біз осы гипотезаны қабылдасақ, онда Жердің айналуымен анықталатын және барлық практикалық астрономиялық есептеулерде қолданылатын «астрономиялық уақыт», аспан механикасының теңдеулеріндегі тәуелсіз айнымалы ретінде анықталған «біркелкі» немесе «Ньютондық» уақыттан өзгеше болады». Де Ситтер біркелкі уақыт алу үшін Жердің айналуымен анықталатын орташа күн уақытына түзету енгізуді ұсынды. Сол кезеңде А. Данжон (1929) сияқты басқа астрономдар да біркелкі уақытты алу үшін ұсыныс жасады. Данжонның пікірінше, Айдың, Күннің және планеталардың байқалатын орналасуларын, олардың белгілі гравитациялық эфемеридтерімен салыстырғанда, уақытты жақсырақ және біркелкі анықтауға болады. Осылайша, астрономиялық және ғылыми мақсаттар үшін жаңа уақыт шкаласын құру, орташа күн уақыт шкаласының болжаусыз бұзылыстарын болдырмау және осы мақсаттар үшін Әлемдік уақытты (UT) және Жердің өсінде айналуына негізделген басқа уақыт шкалаларын (мысалы, шығар уақыт) алмастыру мақсаты қалыптасты. Америкалық астроном Г.М. Клеменс (1948) өзінің ұсынысының «тек астрономдар мен басқа ғалымдардың ыңғайлылығы үшін» екенін және «әлеуметтік мақсаттар үшін орташа күн уақытын пайдалануды жалғастыру логикалық» екенін айтты. Де Ситтер мен Клеменс екеуі де бұл ұсынысты «Ньютондық» немесе «біркелкі» уақыт деп атады. D. Браувер «эфемерид уақыты» деген атауды ұсынды. 1950 жылы Парижде өткен астрономиялық конференцияда «егер орташа күн секунды өзгеруіне байланысты уақыт бірлігі ретінде қанағаттандырмас болса, онда 1900.0 жылғы сидерлік жыл қабылдануы керек, ал осы бірлікте есептелген уақыт эфемерид уақыты деп аталуы керек» деп ұсынылды. Сондай-ақ, орташа күн уақытын эфемерид уақытына аудару үшін Клеменс формуласы берілді (эфемерид уақытының анықтамасы (1952) қараңыз). Халықаралық астрономиялық одақ бұл ұсынысты 1952 жылғы жалпы жиналысында бекітті. Практикалық енгізуге біраз уақыт кетті (эфемерид уақытын ресми альманахтар мен эфемеридтерде пайдалануды қараңыз). Эфемерид уақыты (ET) 1970 жылдары басқа уақыт шкалаларымен алмастырылғанға дейін стандарт болып сақталды (қайта қараңыз). Эфемерид уақыты стандарт ретінде қолданылған кезеңде оның егжей-тегжейлері бірнеше рет қайта қарастырылды. Бірлік сидерлік жылдың орнына 1900.0 жылғы тропикалық жыл ретінде қайта анықталды, содан кейін 1/31556925.9747 сәл өзгертілген бөлшек ретінде, ал 1967/8 жылы цезий атомдық сағаты стандарты бойынша қайта анықталды (төменде қараңыз). ET енді тікелей қолданылмаса да, ол маңызды мұра қалдырды. Оның TDT сияқты мұрагері уақыт шкалалары, сондай-ақ атомдық уақыт шкаласы IAT (TAI) «эфемерид уақытымен сабақтастықты қамтамасыз ететін» қарым-қатынаспен құрылды. ET 1950 жылдары атомдық сағаттарды калибрлеу үшін қолданылды. Осылайша, эфемерид уақытының бастапқы жобалаушылары қабылдаған шешімдер бүгінгі стандартты SI секундының ұзындығына әсер етті, ал бұл өз кезегінде қазіргі уақыттағы эфирлік уақыт шкалаларына енгізілген серпіліс секундтарының санына да әсер етеді, оларды шамамен орташа күн уақытымен қатар ұстауға мүмкіндік береді.

Ephemeris time (ET), adopted as standard in 1952, was originally designed as an approach to a uniform time scale, to be freed from the effects of irregularity in the rotation of the Earth, "for the convenience of astronomers and other scientists", for example for use in ephemerides of the Sun (as observed from the Earth), the Moon, and the planets. It was proposed in 1948 by G M Clemence. From the time of John Flamsteed (1646–1719) it had been believed that the Earth's daily rotation was uniform. But in the later nineteenth and early twentieth centuries, with increasing precision of astronomical measurements, it began to be suspected, and was eventually established, that the rotation of the Earth (i. e. the length of the day) showed irregularities on short time scales, and was slowing down on longer time scales. The evidence was compiled by W de Sitter (1927) who wrote "If we accept this hypothesis, then the 'astronomical time', given by the Earth's rotation, and used in all practical astronomical computations, differs from the 'uniform' or 'Newtonian' time, which is defined as the independent variable of the equations of celestial mechanics". De Sitter offered a correction to be applied to the mean solar time given by the Earth's rotation to get uniform time. Other astronomers of the period also made suggestions for obtaining uniform time, including A Danjon (1929), who suggested in effect that observed positions of the Moon, Sun and planets, when compared with their well established gravitational ephemerides, could better and more uniformly define and determine time. Thus the aim developed, to provide a new time scale for astronomical and scientific purposes, to avoid the unpredictable irregularities of the mean solar time scale, and to replace for these purposes Universal Time (UT) and any other time scale based on the rotation of the Earth around its axis, such as sidereal time. The American astronomer G M Clemence (1948) Clemence (1948) made it clear that his proposal was intended "for the convenience of astronomers and other scientists only" and that it was "logical to continue the use of mean solar time for civil purposes". De Sitter and Clemence both referred to the proposal as 'Newtonian' or 'uniform' time. D Brouwer suggested the name 'ephemeris time'. Following this, an astronomical conference held in Paris in 1950 recommended "that in all cases where the mean solar second is unsatisfactory as a unit of time by reason of its variability, the unit adopted should be the sidereal year at 1900.0, that the time reckoned in this unit be designated ephemeris time", and gave Clemence's formula (see Definition of ephemeris time (1952)) for translating mean solar time to ephemeris time. The International Astronomical Union approved this recommendation at its 1952 general assembly. Practical introduction took some time (see Use of ephemeris time in official almanacs and ephemerides); ephemeris time (ET) remained a standard until superseded in the 1970s by further time scales (see Revision). During the currency of ephemeris time as a standard, the details were revised a little. The unit was redefined in terms of the tropical year at 1900.0 instead of the sidereal year; and then as the slightly modified fraction 1/31556925.9747 instead, finally being redefined in 1967/8 in terms of the cesium atomic clock standard (see below). Although ET is no longer directly in use, it leaves a continuing legacy. Its successor time scales, such as TDT, as well as the atomic time scale IAT (TAI), were designed with a relationship that "provides continuity with ephemeris time". ET was used for the calibration of atomic clocks in the 1950s. In this way, decisions made by the original designers of ephemeris time influenced the length of today's standard SI second, and in turn, this has a continuing influence on the number of leap seconds which have been needed for insertion into current broadcast time scales, to keep them approximately in step with mean solar time.

Айды бақылаудың екінші реттік нәтижелері

Эфемерид уақыты қағида бойынша Жердің Күнді айналу орбиталық қозғалысы арқылы анықталғанмен, практикада көбінесе Айдың Жерді айналу орбиталық қозғалысы бойынша өлшенді. Бұл өлшемдерді Күннің орташа қозғалысына қатысты Айдың орташа қозғалысын калибрлеуден кейін, Күн қозғалысы тұрғысынан ET-нің бастапқы анықтамасының екіншілік іске асырылуы (метрологиялық мағынада) деп қарастыруға болады. Айдың өлшемдерін пайдалану себептері практикалық еді: Ай жұлдыздар фонында Күннің тиісті қозғалыс жылдамдығынан шамамен 13 есе жылдам қозғалады, ал Айдың өлшемдерінен уақытты анықтаудың дәлдігі де сәйкесінше жоғары. Эфемерид уақыты алғаш қабылданғанда, уақыт шкалалары бұрынғысынша астрономиялық байқауларға негізделген. Дәлдік оптикалық байқаулардың дәлдігімен шектелді, ал сағаттар мен уақыт сигналдарына түзетулер кейіннен жарияланды.

Атомдық сағаттар арқылы екінші реттік іске асырылған

Бірнеше жыл өткен соң, цезий атомдық сағатының ойдағыдай жұмыс істеуімен бірге, басқа мүмкіндік туындады. 1958 жылы цезий атомдық сағаты эфемеридтік уақытқа сәйкес калибрленгеннен кейін, атомдық сағаттар атомдық уақыт шкаласын құрады, сондай-ақ бастапқыда Жер динамикалық уақыты деп аталған, ал қазір Жер уақыты деп аталатын шкаланы анықтады, ол ET уақытымен үзіліссіздікті қамтамасыз етуге арналған. Осының нәтижесінде эфемеридтік уақыт стандарты Жер уақыты және барицентрлік динамикалық уақыт сияқты неғұрлым жетілдірілген уақыт шкалаларымен алмастырылды, ал ET осы шкалаларға жуық шамамен қарастырылады.

Уақыт шкалаларын қайта қарау

1976 жылы ХАҒА (IAU) өзінің сол кездегі (1952 жылдан бері) эфемеридтік уақыт стандартының теориялық негізі релятивистік емес екенін және сондықтан 1984 жылдан бастап эфемеридтік уақыт динамикалық уақыт шкалаларын құруға арналған екі релятивистік уақыт шкаласымен алмастырылатынын шешті: Жер бетіндегі динамикалық уақыт (TDT) және Барицентрлік динамикалық уақыт (TDB). Кейіннен туындаған қиындықтар осы шкалалардың 1990 жылдары Жердегі уақыт (TT), Геоцентрлік координаттық уақыт (GCT) (TCG) және Барицентрлік координаттық уақыт (BCT) (TCB) шкалаларымен алмастырылуына әкелді. Барицентрлік динамикалық уақыт (TDB) қазіргі стандарт ретінде қайта анықталды. 2006 жылы қайта анықталғандай, TDB – TCB-нің сызықтық түрлендіруі. ХАҒА-ның сол қаулысында (4-ескертуде) "JPL эфемеридасы DE405-тің тәуелсіз уақыт аргументі, ол Teph деп аталады" делінген (бұл жерде ХАҒА дереккөзі келтірілген). Эфемеридтер осы негізде 1983 жылға дейін жалғасты (астрономиялық тұрақтылардың жақсартылған мәндерін қабылдауға байланысты кейбір өзгерістермен), содан кейін 1984 жылдан бастап JPL эфемеридтерін қабылдады. 1960 жылғы өзгеріске дейін "Жақсартылған Айлық Эфемеридасы" 1952–1959 жылдарға арналған эфемеридтік уақыт бойынша қолжетімді болды (W.J. Eckert Браунның теориясы бойынша есептеген, Clemence (1948) ұсынған өзгерістермен).