Автор: А. М. ФИНКЕЛЬШТЕЙН

Один из важнейших разделов астрономии - фундаментальное координатно-временное обеспечение (ФКВО) - возник на стыке астрометрии, эфемеридной астрономии, небесной механики, геодинамики благодаря новым измерительным наземным, а также космическим технологиям, широкополосной записи и высокоскоростной передачи информации. Сегодня он является основным направлением деятельности ИПА РАН.

стр. 23

Доктор физико-математических наук А. М. ФИНКЕЛЬШТЕЙН, директор Института прикладной астрономии (ИПА) РАН

В последние 10 - 15 лет в астрономической науке произошли революционные изменения. Прежде всего они связаны с решением ряда задач в широком диапазоне - от традиционной астрометрии и эфемеридной астрономии до геофизики, глобальной тектоники, физики океана и атмосферы, астрофизики и космологии, а также тестирования фундаментальных физических теорий. Одновременно резко возросли требования к точности координатно-временных измерений, верхняя граница которых сейчас находится в районе миллиметров (при измерении земных координат) и субмиллисекунд дуги (при измерении координат галактических и внегалактических источников и тел Солнечной системы). Кроме того, на вооружение ученых поступили новые (в том числе и космические) измерительные технологии: радиолокация больших и малых планет, лазерная локация, глобальные навигационные системы GPS, ГЛОНАСС, DORIS, радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ), астрометрические спутники, наземные и космические оптические интерферометры, которые увеличили точность наблюдений на 3 - 5 порядков.

Вместе с тем широко внедряются информационные и телекоммуникационные разработки, позволяющие объединять десятки и сотни инструментов, находящихся на различных континентах, в единые глобальные сети реального времени, обрабатывать и передавать потоки данных со скоростями в десятки Гбит/с с каждого пункта. И наконец, ныне завершается подготовка долговременных (до 10 лет) международных наблюдательных программ (в частности, программы CORE), объединяющих десятки стран и ведомств и предполагающих существование постоянно действующих сетей. Остается только добавить, что во всех этих радикальных преобразованиях активно участвуют и ученые ИПА РАН.

Одна из главных тем наших исследований - эфемеридная астрономия, включающая высокоточное предвычисление и анализ всех типов наблюдений за различными объектами Вселенной, определение фундаментальных астрономических постоянных, проверку общей теории относительности, обеспечение успешного решения задач навигации, планирования космических полетов и т. д.

Наши сотрудники разработали систему программирования для решения задач в области эфемеридной астрономии, по своей универсальности не имеющей аналогов в мире. Овладев ею, каждый специалист может в терминах обычной астрономической нотации просто и ясно сформулировать практически любую задачу. Эта программа позволяет вычислить эфемериды Солнца, Луны, больших и малых планет, комет, любых точек на их поверхности, космических зондов, искусственных спутников Земли. Точность моделирования благодаря ей значительно выше точности существующих измерений. Она обеспечивает не только классические, но и радарные, радиолокационные, радиоинтерферометрические наблюдения, осуществляемые с помощью систем GPS, ГЛОНАСС и DORIS, лазерную локацию ИСЗ и Луны.

В ИПА РАН создана система планетных эфемерид ЕРМ 2002, которая наряду с аналогичной DE 405, выполненной в Лаборатории реактивного движения НАСА, является неисчерпаемым кладезем знаний о больших планетах и Луне. Кстати, в ходе этой работы использованы данные около 300 тыс. радиотехнических наблюдений за внутренними планетами, Марсом и Юпитером, а также результаты оптических наблюдений за внешними планетами*. Таким образом, мы получили представление о динамике соотношения точностей наиболее совершенных в мире эфемерид ЕРМ и DE в 1991, 1996, 1999 и 2002 гг. И по ряду параметров наши результаты превосходят лучшую зарубежную систему DE 405. Не случайно при тестировании разработанного НАСА эфемеридного обеспечения запуска марсианского спутника Mars Global Survey (MGS) пользовались расчетами специалистов нашего института.

Другое важное направление исследований - геодинамика и астрометрия. Начиная с 1990-х годов, мы приступили к планомерной работе по оперативному определению и регулярным вычислениям координат радиоисточников, параметров вращения Земли на основе данных, полученных с помощью новейших технических средств. Точность таких определений и вычислений является одной из самых высоких в мире. Добавлю: ИПА РАН - единственная организация на нашей планете, где ведут оперативную обработку результатов наблюдений

* Внутренние и внешние планеты определяются их положениями относительно Земли (прим. ред.).

стр. 24

всех основных методов определения параметров вращения Земли.

Одновременно ученые института продолжают уточнять координаты и скорости 152 станций и 337 радиоисточников, которые используются для исследования вариаций длинных баз, деформаций земной коры и построения каталогов этих радиоисточников, входящих в международную систему ICRS. Эта задача значительно сложнее, чем определение параметров вращения Земли, ибо она включает в себя выяснение координат, которые сильно коррелируют с другими числовыми значениями, прежде всего с параметрами атмосферы и времени. Для разрешения такой проблемы мы разработали многофункциональный пакет КВАЗАР, предназначенный для многосерийной обработки РСДБ-наблюдений на глобальных сетях станций*. Основная идея его состоит в том, чтобы различными методами оценивать и регулярные параметры (постоянные коэффициенты разложений на суточном интервале времени), и те параметры, которые имеют стохастическую (вероятностную) природу. В частности, так можно наиболее эффективно оценивать случайные элементы координат полюса, всемирного времени и шкал атомного времени.

Как уже говорилось, в настоящее время наиболее распространенными наземными техническими средствами ФКВО являются РСДБ, GPS и ИСЗ (SLR). Однако у каждого из них - свое будущее. Например, за последние тридцать лет РСДБ улучшала точность на два порядка за каждые пятнадцать лет. Это происходило в результате расширения полосы регистрации и увеличения количества радиотелескопов. Весьма короткий путь прошла GPS-технология за счет создания и использования многочастотных приемников нового поколения и организации сотен GPS-пунктов, расположенных на всех континентах. Несколько иное положение сложилось с при-

* См.: А. м. Финкельштейн. Радиоинтер-ферометрическая сеть "Квазар". - Наука в России, 2001, N 5 (прим. ред.).

стр. 25

Структура системы эфемеридной астрономии.

Оценки точности определения параметров вращения Земли по РСДБ, SLR и GPS-данным.

менением техники лазерных наблюдений с помощью ИСЗ. Начиная с конца 80-х годов XX в., точность определения параметров вращения Земли и глобальных баз с помощью этой техники не улучшается. По-видимому, ее потенциал исчерпан. Принимая во внимание тот факт, что России к настоящему времени не удалось создать лазерные дальномеры субсантиметрового уровня, можно с уверенностью сказать: основными нашими техническими средствами впредь будут РСДБ и GPS/ГЛОНАСС.

Таким образом, все изложенное выше убедительно подтверждает: с развитием новых наземных и космических измерительных устройств, методов их применения релятивистская астрометрия, касающаяся явлений, рассматриваемых общей теорией относительности, стала практической задачей. Сегодня ей, а также эфемеридной астрономии и геодинамике предстоит разрешить очень сложное противоречие. Дело в том, что употребляемые впрямую такие устоявшиеся понятия, как экватор, эклиптика, движение полюса и др., основаны на ньютоновской механике с абсолютным пространством и временем. Преодолеть это противоречие можно, лишь учитывая четырехмерные пространственно-времен-

стр. 26

Поправки прямых восхождений и склонений радиоисточников, полученных с помощью пакета КВАЗАР.

стр. 27

Картографирование радиоисточников на радиоинтерферометре "Светлое - Зеленчукская".

Картографирование радиоисточников на радиоинтерферометре "Светлое - Зеленчукская - Калязин".

стр. 28

ные зависимости между релятивистскими системами отсчета, а также соответствующие связи между математическими величинами и физически измеряемыми параметрами. Такой подход нашел развитие в ряде резолюций Международного астрономического союза, разработанных входящими в него исследовательскими организациями США, Германии, Японии в кооперации с ИПА РАН. Этими документами определены методы преобразования пространственных и временных координат. Главная их особенность состоит в том, что две основные астрономические системы - ICRS и ITRS - должны рассматриваться как релятивистские четырехмерные с временами ТСВ (барицентрическое) и TCG (геоцентрическое). В связи с этим была введена барицентрическая небесная система координат (BCRS) - промежуточная между ICRS и ITRS.

В ближайшее десятилетие значительную роль начнут играть космические средства ФКВО, точности измерения оптических положений звезд в которых на 1 - 2 порядка превышают таковую в уже реализованном проекте Hipparcos (США). В частности, вскоре НАСА запустит спутник FAME. С его помощью положения около 40 млн. звезд в диапазоне 5 ^m -15 ^m будут определены с точностью 50 мкс дуги, а несколько позднее выполнят проекты GAIA и ROMER, имеющие точности 10 ^-2 мс дуги для звезд и внегалактических объектов до 20 ^m . Россия же сконцентрировала свои основные усилия на создании космического радиоинтерферометра "Радио- астрон". Планируемая точность этого инструмента по определению положений радиоисточников - порядка 100 мкс дуги. Кроме того, наш институт разработал релятивистские модели для позиционных наблюдений микросекундной точности, где, помимо пост-ньютоновских эффектов, обусловленных вращением и формой небесных тел, учитывались также пост-пост- ньютоновские солнечные эффекты.

К данной работе тесно примыкает и постоянный учет в ИПА РАН структуры радиоисточников, необходимый при обработке РСДБ-наблюдений с угловым разрешением от миллисекунды дуги и выше. Эта обязательная редукция должна входить в любые современные программные пакеты для анализа высокоточных астрометрических, геодинамических и геодезических РСДБ-измерений. Кроме того, построение изображений радиоисточников представляет значительный интерес для решения широкого круга астрофизических задач.

Наши ученые разработали и новые нелинейные информационные методы картографирования радио-источников. Эффективность их применения была продемонстрирована, в частности, при картографировании радиоисточников с субмиллисекундным угловым разрешением по данным РСДБ-наблюдений с использованием радиоинтерферометров "Светлое - Зеленчукская" и "Светлое - Зеленчукская - Калязин". На построение одной такой карты требуется всего 20 - 30 мин.

Рассказ о деятельности ИПА РАН будет незавершенным, если не упомянуть о многогранной и кропотливой издательской деятельности его ученых. Скажем, "Астрономический сборник" выходит в Санкт-Петербурге 82 года. В нем публикуются геоцентрические эфемериды Солнца, Луны, больших планет, данные, необходимые для проведения физических наблюдений за нашим светилом, приведены сведения о его затмениях, сообщается другая информация о многочисленных космических объектах Вселенной. А без "Морского астрономического ежегодника", издающегося 74 года, ни одно российское военное судно не может выйти в море или зайти в порт. В последние годы в него внесены существенные изменения: на четных страницах стали размещать информацию о видимых местах 67 навигационных звезд в трехдневном интервале. Вместе с тем модифицированы таблицы высот и азимутов светил, что сделало этот ежегодник, а также подготовленный в институте и недавно изданный "Морской астрономический альманах" независимыми от других штурманских пособий.

Большая работа проведена нашим научным коллективом и по каталогизации астероидов*. Интерес к малым планетам не исчерпывается только изучением их динамического влияния на движение других тел Солнечной системы. Важной причиной, вынуждающей заниматься ими, послужила опасность столкновения их с нашей планетой. Сближаясь с Землей, они угрожают ей такими глобальными катастрофами, как временное изменение климата, гибель миллионов людей и др. Кстати, в ряде стран (США, Япония, Англия) разработаны национальные программы изучения астероидной опасности, частью которых является учет практически всех малых тел размером более 1 км**.

Не остаемся в стороне от этой важной научно-исследовательской работы и мы. В своем каталоге, который содержит сведения о 400 астероидах и 30 кометах, представляющих угрозу нашей планете, ученые ИПА РАН, помимо уточнения их орбит, приводят данные о размерах, физических свойствах и потенциальной энергии столкновения этих космических объектов с Землей, если таковое произойдет.

Подытоживая сказанное, констатируем: исследования в области фундаментального координатно-временного обеспечения чрезвычайно сложны и многообразны, но используемые измерительные системы весьма эффективны, так как базируются на самых современных технологиях. И хотя это, бесспорно, требует больших усилий и средств, однако воздастся сторицей, ибо без знаний астрономии невозможно представить себе будущее отечественной и мировой науки.

* См.: А. К. Литвак и др. Космические странники. - Наука в России, 2003, N 2 (прим. ред.).

** См.: Я. В. Ренькас. Вечный памятник. - Наука в России, 2003, N 2 (прим. ред.).

Иллюстрации предоставлены автором.

Постоянный адрес данной публикации: