脉冲星的天体测量观测和应用

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1、脉冲星的天体测量观测和应用上海天文台赵铭(mzhao@shao.ac.cn)2007年7月30日1前言40年来，脉冲星越来越成为天体物理研究的热点领域，自提出脉冲星计时观测可作为飞行器自主导航的理想手段以后，特别是我们国家将其作为一项涉及国家战略的前瞻性研究项目以后，更成为我国天文界和航天界的一项紧迫的研究任务。从两天来的报告所提供的情况来看，通过脉冲星计时观测作航天器导航目前还只处于概念阶段，撇开技术问题不说，大家反复引用的公式还只是一个原理性的、概念性的公式，远未形成一个成熟的理论系统和工作流程。离开实际的实现还很遥远。2前言对于这样一个处于初级阶段的

2、研究方向，需要从多方案、多视角、多途径进行探索性的研究，并需要特别重视多学科、多团队之间的合作、交流，包括研究成果交流、学术动态交流，以至基础性、概念性的讨论班。下面我们从天体测量学的角度对我国脉冲星导航问题研究阐述我们的视角。3前言天体坐标的测量方法可概括成方向角测量和光行时测量两大类，航天器的位置测定也是一样。方向角测量得到目标天体横向位置信息，通过光学成像技术实现，有绝对测量、相对测量和较差测量不同方法。脉冲星的光学观测至今进展不大。光行时测量得到与天体的距离有关的信息，通过各种计时手段实现，有单向光行时测量、双向光行时测量和较差光行时测量。对于遥远

3、天体，只能实现较差光行时测量。周期稳定的脉冲星的计时观测可导出测站和太阳系质心间的较差光行时结果。41、脉冲星的方向角测量至今，只有光学技术可以作直接的方向角的测量。天体光学波段的天体测量学观测，几百年来形成系列的观测方法，有相对于地方量度坐标系的绝对测量。如最初的子午环绝对测量，建立最初的天球参考架。相对于已知天体框架的相对测量。如子午环、天体照相望远镜等，主要做参考架加密。天体间弧长的较差测量。如伊巴谷卫星，用于建立一个无定向的均匀空间框架。51、脉冲星的方向测量这些测量给出以角度表示的天体的方向参数。较近的天体还可通过方向参数变化与观测者位置变化的关

4、系导出距离参数－视差。光学天体测量的主要成果是建立各类星表，一方面提供了精度不断提高的天球参考架；另方面，为各种天体物理学观测提供目标星表，或为天体物理学研究提供高精度的几何参数样本。61、脉冲星的方向测量但至今为止脉冲星的光学观测进展不大，原因在于：脉冲星体积很小，典型的半径仅10km，在恒星距离尺度上它们的亮度非常微弱，如最著名的蟹状星云中心的脉冲星为17等，船帆座中的脉冲星甚至暗到24等。如此微弱的天体的光学积分观测难以区分其光辐射是连续的还是脉冲式的。71、脉冲星的方向测量若能将脉冲星的光学观测和VLBI观测相联合，可作为光学参考架与射电参考架联系

5、的一种途径。也为对脉冲星的物理研究提供可见光波段的信息。是否应当开展脉冲星的光学观测并争取有所突破？这需要开发特殊的观测技术。82、脉冲星较差光行时测量遥远天体方向参数的另一类测量方法是测量无线电波传播的较差光行时－测量同一天体到两测站光行时之差，它取决于较差三角形，并可导出如下关系式OA1A2这就是VLBI的工作原理，由此可以导出天体在基线框架间的坐标（测天），也可导出基线在天体框架间的坐标（测地），或两框架间的转换关系(测地球姿态）。92、脉冲星较差光行时测量如果将基线的一端放在地球卫星上或月球上，另一端仍在地球上，作较差光行时测量，可导出卫星或月球相

6、对于地球的位置信息。如果将基线的一端放在太阳系质心处，另一端在地球或某人造天体上，作较差光行时测量，原理上可以测定地球或人造天体的质心坐标矢量的信息。但在现实中无法实现在质心处放置天线并作VLBI观测，需要借助特殊的较差测量原理。102、脉冲星较差光行时测量脉冲星具有非常稳定的脉冲周期，因此脉冲在假想的真空中传播到达质心坐标系的不动点的时刻应是可精确预测的，而其到达观测者时刻既包含观测者位置变化的信息(几何时延)，也包含引力场和传播介质产生的时延(物理时延)。若将两点间较差光行时减去各种物理时延，剩余的几何时延只反映了脉冲星到两者的距离差。所以这也是一种较

7、差测距。由此可给出地球或人造天体相对于质心系的坐标信息－它们的质心矢量在源方向的投影，其几何原理和VLBI一样。不同的是VLBI可以测量任何形式的信号，而计时法只适用于非常有规律的信号。112、脉冲星较差光行时测量一切射电源的VLBI测量都可给出地球赤道的信息，而只有脉冲星计时观测导出的较差光行时可给出黄道信息。这是至今唯一能直接对地球作三维空间定位的方法，能不依赖于动力学理论测定出地球实际的质心位置。将其与其他建立在动力学理论基础上的轨道相比较，对改进行星地球的轨道历表和相关的理论将有许多不同的意义。122、脉冲星较差光行时测量如果将脉冲星计时观测装置放

8、在深空飞行器上，依据上述同样原理，可以导出飞行器的质心坐标矢量。这