Введение
Научный спутник Европейского космического агентства, спутник/каталог Hipparcos, был научным спутником Европейского космического агентства (ESA), запущенным в 1989 году и функционировавшим до 1993 года. Он стал первым космическим экспериментом, посвященным прецизионной астрометрии – точному измерению положений небесных объектов на небесной сфере. Это позволило впервые получить высокоточные измерения истинной яркости (в отличие от менее точной видимой яркости), собственных движений и параллаксов звезд, что, в свою очередь, обеспечило более точные вычисления их расстояний и тангенциальных скоростей. В сочетании с измерениями радиальных скоростей, полученными с помощью спектроскопии, астрофизики смогли, наконец, измерить все шесть величин, необходимых для определения движения звезд. В 1997 году был опубликован каталог Гиппаркоса – высокоточный каталог, содержащий данные о более чем 118 200 звездах. Одновременно был выпущен менее точный каталог Tycho Catalogue, включающий данные о более чем миллионе звезд, а в 2000 году – усовершенствованный каталог Tycho 2, содержащий данные о 2,5 миллионах звезд. Последующая миссия Hipparcos, Gaia, была запущена в 2013 году. Название "Hipparcos" является акронимом от HIgh Precision PARallax COllecting Satellite и одновременно отсылкой к древнегреческому астроному Гиппарху из Никеи, известному применением тригонометрии в астрономии и открытием прецессии равноденствий.
the satellite/catalogue
Hipparcos was a scientific satellite of the European Space Agency (ESA), launched in 1989 and operated until 1993. It was the first space experiment devoted to precision astrometry, the accurate measurement of the positions of celestial objects on the sky. This permitted the first high precision measurements of the intrinsic brightnesses (compared to the less precise apparent brightness), proper motions, and parallaxes of stars, enabling better calculations of their distance and tangential velocity. When combined with radial velocity measurements from spectroscopy, astrophysicists were able to finally measure all six quantities needed to determine the motion of stars. The resulting Hipparcos Catalogue, a high precision catalogue of more than 118,200 stars, was published in 1997. The lower precision Tycho Catalogue of more than a million stars was published at the same time, while the enhanced Tycho 2 Catalogue of 2.5 million stars was published in 2000. Hipparcos follow up mission, Gaia, was launched in 2013. The word "Hipparcos" is an acronym for HIgh Precision PARallax COllecting Satellite and also a reference to the ancient Greek astronomer Hipparchus of Nicaea, who is noted for applications of trigonometry to astronomy and his discovery of the precession of the equinoxes.
Предыстория
Ко второй половине XX века точные измерения звездных позиций с Земли столкнулись с практически непреодолимыми барьерами для повышения точности, особенно при измерениях больших углов и систематических погрешностей. Основными проблемами были эффекты земной атмосферы, усугубляемые сложными оптическими искажениями, тепловыми и гравитационными деформациями приборов и отсутствием видимости всего неба. Формальное предложение проводить эти высокоточные наблюдения из космоса было впервые выдвинуто в 1967 году. Изначально миссия была предложена французскому космическому агентству CNES, которое сочло ее слишком сложной и дорогостоящей для реализации в рамках одной национальной программы и рекомендовало представить ее в многонациональном формате. Принятие миссии в научную программу Европейского космического агентства в 1980 году стало результатом длительного процесса изучения и лоббирования. Главной научной целью было определение физических свойств звезд путем измерения их расстояний и пространственных движений, что позволило бы заложить более надежную эмпирическую основу для теоретических исследований строения и эволюции звезд, а также структуры и кинематики галактик. С точки зрения наблюдений, задачей было определить положения, параллаксы и годичные собственные движения примерно 100 000 звезд с беспрецедентной точностью 0,002 угловой секунды, хотя в конечном итоге эта цель была превзойдена вдвое. Название космического телескопа "Гиппаркос" являлось аббревиатурой от High Precision Parallax Collecting Satellite и одновременно отсылало к имени древнегреческого астронома Гиппарха, которого считают основоположником тригонометрии и первооткрывателем прецессии равноденствий (вызванной колебаниями Земли вокруг своей оси).
Спутниковый спутник и полезная нагрузка
Космический аппарат несёт один полностью отражающий, эксцентрический телескоп Шмидта с апертурой. Специальное зеркало для объединения пучков накладывало два поля зрения, разнесенных на 58°, в общую фокусную плоскость. Это сложное зеркало состояло из двух зеркал, наклоненных в противоположных направлениях, каждое из которых занимало половину прямоугольного входного зрачка и обеспечивало невиньетированное поле зрения примерно 1° × 1°. Телескоп использовал систему решеток на фокусной поверхности, состоящую из 2688 чередующихся непрозрачных и прозрачных полос с периодом 1,208 угловой секунды (8,2 микрометра). За этой решеткой трубка-дисектор изображения (детектор типа фотомультипликатора) с чувствительным полем зрения диаметром около 38 угловых секунд преобразовывала модулированный свет в последовательность счетов фотонов (с частотой дискретизации 1200 Гц), из которой можно было определить фазу всего импульсного поезда от звезды. Видимый угол между двумя звездами в объединенных полях зрения, по модулю периода решетки, определялся по разности фаз двух звездных импульсных поездов. Изначально предназначенный для наблюдения примерно 100 000 звезд с астрометрической точностью около 0,002 угловой секунды, окончательный каталог Гиппаркоса включал почти 120 000 звезд. Дополнительная фотоумножающая система наблюдала за делителем пучка в оптическом тракте и использовалась в качестве звездного картографа. Его целью было мониторинг и определение ориентации спутника, а также сбор фотометрических и астрометрических данных обо всех звездах до 11-й звездной величины. Эти измерения проводились в двух широких полосах, приблизительно соответствующих B и V в фотометрической системе UBV (Johnson). Положения этих звезд должны были быть определены с точностью 0,03 угловой секунды, что в 25 раз меньше точности основных звезд миссии. Изначально предназначенный для наблюдения около 400 000 звезд, каталог Тихо включал чуть более 1 миллиона звезд, а последующий анализ расширил его до каталога Тихо 2, содержащего около 2,5 миллиона звезд. Ориентация космического аппарата относительно центра тяжести контролировалась для сканирования небесной сферы в регулярном прецессионном движении, поддерживая постоянный угол наклона между осью вращения и направлением на Солнце. Космический аппарат вращался вокруг своей оси Z со скоростью 11,25 оборотов в день (168,75 угловых секунд в секунду) под углом 43° к Солнцу. Ось Z вращалась вокруг линии «Солнце-спутник» со скоростью 6,4 оборота в год. Космический аппарат состоял из двух платформ и шести вертикальных панелей, все изготовленные из алюминиевого сотового материала. Солнечная батарея состояла из трех развертываемых секций, генерирующих в общей сложности около 300 Вт. Две антенны S-диапазона располагались на верхней и нижней частях космического аппарата, обеспечивая всенаправленную скорость передачи данных вниз 24 кбит/с. Подсистема управления ориентацией и орбитой (состоящая из 5 ньютоновых гидразиновых двигателей для корректирующих маневров, 20 миллиньютоновых двигателей на холодном газе для управления ориентацией и гироскопов для определения ориентации) обеспечивала корректное динамическое управление ориентацией и определение ориентации в течение всего срока эксплуатации.
An additional photomultiplier system viewed a beam splitter in the optical path and was used as a star mapper. Its purpose was to monitor and determine the satellite attitude, and in the process, to gather photometric and astrometric data of all stars down to about 11th magnitude. These measurements were made in two broad bands approximately corresponding to B and V in the (Johnson) UBV photometric system. The positions of these latter stars were to be determined to a precision of 0.03 arc sec, which is a factor of 25 less than the main mission stars. Originally targeting the observation of around 400,000 stars, the resulting Tycho Catalogue comprised just over 1 million stars, with a subsequent analysis extending this to the Tycho 2 Catalogue of about 2.5 million stars. The attitude of the spacecraft about its center of gravity was controlled to scan the celestial sphere in a regular precessional motion maintaining a constant inclination between the spin axis and the direction to the Sun. The spacecraft spun around its Z axis at the rate of 11.25 revolutions/day (168.75 arc sec/s) at an angle of 43° to the Sun. The Z axis rotated about the Sun satellite line at 6.4 revolutions/year. The spacecraft consisted of two platforms and six vertical panels, all made of aluminum honeycomb. The solar array consisted of three deployable sections, generating around 300 W in total. Two S band antennas were located on the top and bottom of the spacecraft, providing an omni directional downlink data rate of 24 kbit/s. An attitude and orbit control subsystem (comprising 5 newton hydrazine thrusters for course manoeuvres, 20 millinewton cold gas thrusters for attitude control, and gyroscopes for attitude determination) ensured correct dynamic attitude control and determination during the operational lifetime.
Разработка, запуск и эксплуатация
Спутник Hipparcos финансировался и управлялся под общим руководством Европейского космического агентства (ESA). Основными промышленными подрядчиками были Matra Marconi Space (ныне EADS Astrium) и Alenia Spazio (ныне Thales Alenia Space). Другие компоненты оборудования были поставлены следующим образом: зеркало для объединения лучей от REOSC в Сен-Пьер-ду-Перра, Франция; сферические, складывающиеся и ретранслирующие зеркала от Carl Zeiss AG в Оберкохене, Германия; внешние светозащитные экраны от CASA в Мадриде, Испания; модулирующая сетка от CSEM в Нейшателе, Швейцария; система управления механизмом и электроника теплового контроля от Dornier Satellite Systems в Фридрихшафене, Германия; оптические фильтры, экспериментальные конструкции и система управления положением и орбитой от Matra Marconi Space в Велизи, Франция; механизмы переключения приборов от Oerlikon Contraves в Цюрихе, Швейцария; диссекторная трубка и фотоэлектронные умножители, собранные Нидерландской организацией космических исследований (SRON) в Нидерландах; механизм перефокусировки, разработанный TNO TPD в Делфте, Нидерланды; подсистема электропитания от British Aerospace в Бристоле, Великобритания; конструкция и система управления реакцией от Daimler Benz Aerospace в Бремене, Германия; солнечные батареи и система теплового контроля от Fokker Space System в Лейдене, Нидерланды; система обработки данных и телекоммуникаций от Saab Ericsson Space в Гётеборге, Швеция; и двигатель коррекции апогея от SEP во Франции. Группы из Института астрофизики в Льеже, Бельгия, и Laboratoire d'Astronomie Spatiale в Марселе, Франция, внесли вклад в процедуры оптических характеристик, калибровки и выравнивания; Captec в Дублине, Ирландия, и Logica в Лондоне – в бортовое программное обеспечение и калибровку. Спутник Hipparcos был запущен (вместе со спутником прямого телевизионного вещания TV Sat 2 в качестве попутного груза) на ракете-носителе Ariane 4, полет V33, с Центра космических запусков Гвианы, Куру, Французская Гвиана, 8 августа 1989 года. Выведенный на геостационарную переходную орбиту (GTO), двигатель коррекции апогея Mage 2 не сработал, и намеченная геостационарная орбита достигнута не была. Однако, с добавлением дополнительных наземных станций, помимо центра управления операциями ESA в Европейском центре космических операций (ESOC) в Германии, спутник успешно функционировал на своей геостационарной переходной орбите (GTO) почти 3,5 года. Все первоначальные цели миссии в конечном итоге были превзойдены. С учетом оценки научной деятельности, связанной со спутниковыми наблюдениями и обработкой данных, миссия Hipparcos стоила около 600 миллионов евро (в экономических условиях 2000 года), и в ее выполнении участвовали около 200 европейских ученых и более 2000 специалистов европейской промышленности.
Сокращение данных
Анализ данных основных результатов миссии был выполнен двумя независимыми научными группами, NDAC и FAST, в состав которых вошли около 100 астрономов и ученых, преимущественно из институтов европейских стран (государств-членов ESA). Анализ, основанный на почти 1000 Гбит спутниковых данных, накопленных за 3,5 года, включал в себя комплексную систему перекрестной проверки и валидации и подробно описан в опубликованном каталоге. Для отображения преобразования координат с небесной сферы в инструментальную систему координат была использована детальная модель оптической калибровки. Ее адекватность была подтверждена анализом остатков детальных измерений. Для определения местоположения наблюдателя в каждый момент наблюдения были необходимы орбита Земли и орбита спутника относительно Земли, которые были получены на основе соответствующего земного эфемерида в сочетании с точным определением дальности до спутника. Коррекции, обусловленные специальной теорией относительности (звездная аберрация), учитывали соответствующую скорость спутника. Поправки на общий релятивистский изгиб света были существенными (4 миллисекунды дуги при 90° к эклиптике) и внесены детерминированным способом, исходя из предположения γ=1 в формализме PPN. Остатки были проанализированы для установления ограничений на возможные отклонения от этого общего релятивистского значения, однако значимых расхождений не обнаружено.
Справочная система
Спутниковые наблюдения позволили получить высокоточные относительные положения звезд друг относительно друга на протяжении всего периода измерений (1989–1993). В отсутствие прямых наблюдений внегалактических источников (за исключением немногочисленных наблюдений квазара 3C 273) полученная жесткая система отсчета была преобразована в инерциальную систему отсчета, привязанную к внегалактическим источникам. Это позволяет напрямую сопоставлять обзоры, выполненные на разных длинах волн, со звездами Гиппаркоса и гарантирует, что собственные движения в каталоге, насколько это возможно, не имеют кинематического вращения. Определение трех соответствующих углов поворота твердого тела и трех зависимых от времени скоростей вращения было проведено и завершено до публикации каталога. Это обеспечило точную, но косвенную привязку к инерциальной внегалактической системе отсчета. Различные методы установления этой привязки к системе отсчета до публикации каталога были включены и получили соответствующий вес: интерферометрические наблюдения радиозвезд с помощью сетей VLBI, MERLIN и Very Large Array (VLA); наблюдения квазаров относительно звезд Гиппаркоса с использованием приборов с зарядовой связью (ПЗС), фотографических пластин и космического телескопа Хаббл; фотографические программы для определения собственных движений звезд относительно внегалактических объектов (Бонн, Киев, Лик, Потсдам, Йель/Сан-Хуан); и сравнение параметров вращения Земли, полученных с помощью радиоинтерферометрии очень длинной базовой линии (VLBI) и наземными оптическими наблюдениями звезд Гиппаркоса. Несмотря на существенные различия в используемых инструментах, методах наблюдения и объектах, различные методы в целом согласовались в пределах 10 миллисекунд дуги по ориентации и 1 миллисекунды дуги в год по вращению системы. На основании соответствующего взвешивания, считается, что координатные оси, определенные в опубликованном каталоге, выровнены с внегалактической радиосистемой с точностью до ±0,6 миллисекунды дуги в эпоху J1991.25 и не вращаются относительно далеких внегалактических объектов с точностью до ±0,25 миллисекунды дуги в год. Медианная фотометрическая точность для звезд с Hp < 9 звездной величиной составляла 0,0015 звездной величины, при этом обычно для каждой звезды выполнялось около 110 отдельных наблюдений в течение 3,5-летнего периода наблюдений. В процессе обработки данных и создания каталога были идентифицированы новые переменные звезды и им присвоены соответствующие обозначения. Переменные звезды классифицировались как периодические или нерешенные; для первых публиковались оценки их периода, амплитуды изменения блеска и типа переменности. Всего было обнаружено около 11 597 переменных объектов, из которых 8 237 были впервые классифицированы как переменные. Например, обнаружено 273 цефеид, 186 звезд типа RR Лиры, 108 звезд типа Дельта Щита и 917 затменных двойных звезд. Наблюдения звездного картографа, составляющие каталог Tycho (и Tycho 2), предоставили данные в двух цветах, приблизительно соответствующих B и V в фотометрической системе Johnson UBV, которые важны для спектральной классификации и определения эффективной температуры.
Радиальные скорости
Классическая астрометрия рассматривает только движения в плоскости неба и не учитывает радиальную скорость звезды, то есть ее движение в пространстве вдоль луча зрения. Хотя это критически важно для понимания звездной кинематики и, следовательно, динамики звездных популяций, ее влияние обычно незаметно для астрометрических измерений (в плоскости неба) и поэтому обычно игнорируется в крупномасштабных астрометрических обследованиях. На практике ее можно измерить как доплеровский сдвиг спектральных линий. Однако, в строгом смысле, радиальная скорость входит в точную астрометрическую модель. В частности, скорость в пространстве вдоль луча зрения означает, что преобразование из тангенциальной линейной скорости в (угловое) собственное движение является функцией времени. Результирующий эффект секулярного или перспективного ускорения заключается в интерпретации поперечного ускорения, которое на самом деле возникает из-за чисто линейной скорости в пространстве со значительной радиальной компонентой, при этом позиционный эффект пропорционален произведению параллакса, собственного движения и радиальной скорости. При точности, достигнутой Гиппаркосом, это имеет (незначительное) значение только для ближайших звезд с наибольшими радиальными скоростями и собственными движениями, но было учтено в 21 случае, когда накопленный позиционный эффект за два года превысил 0,1 миллисекунды дуги. Радиальные скорости для звезд каталога Гиппаркоса, насколько они в настоящее время известны из независимых наземных обследований, можно найти в астрономической базе данных Центра астрономических данных в Страсбурге. Отсутствие надежных расстояний для большинства звезд означает, что угловые измерения, выполненные астрометрически в плоскости неба, обычно нельзя преобразовать в истинные скорости в пространстве в плоскости неба. По этой причине астрометрия характеризует поперечные движения звезд в угловых единицах (например, секунды дуги в год), а не в км/с или эквиваленте. Аналогично, типичное отсутствие надежных радиальных скоростей означает, что поперечное движение в пространстве (когда оно известно) в любом случае является лишь компонентой полной трехмерной скорости в пространстве.
Спор о Плеядах
Одним из спорных результатов стало вычисленное расстояние до скопления Плеяд, около 120 парсек, которое было установлено как на основе исходного каталога, так и в результате пересмотренного анализа. Согласно статье 2012 года, эта аномалия была вызвана использованием взвешенного среднего значения при наличии корреляции между расстояниями и ошибками определения расстояний для звезд в скоплениях. Проблема решается использованием не взвешенного среднего значения. В данных, полученных космической обсерваторией "Гиппаркос", нет систематической погрешности применительно к звездным скоплениям. В августе 2014 года расхождение между расстоянием до скопления, измеренным "Гиппаркосом" и равным 120,2, и расстоянием 133,5, полученным другими методами, было подтверждено измерениями параллакса, выполненными с использованием радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI), которые дали значение 136,2 – наиболее точное и надежное расстояние до скопления, представленное на сегодняшний день.
Полярная звезда
Еще один спор о расстоянии, поднятый благодаря данным Гиппарка, касается расстояния до звезды Полярной.
Гиппаркос-Гайя
Данные, полученные с Hipparcos, в последнее время используются совместно с данными Gaia. Особенно сравнение собственных движений звезд, измеренных с помощью обоих космических аппаратов, применяется для поиска скрытых двойных компаньонов. Комбинированные данные Hipparcos и Gaia также используются для измерения динамической массы известных двойных систем, включая субзвездные компаньоны. Эти данные были использованы для определения массы экзопланеты Beta Pictoris b и иногда применяются для изучения других экзопланет с большим периодом обращения, таких как HR 5183 b.