Mer information:

Vad är astrometri?

Om GAIA

En jämförelse mellan Hipparcos och GAIA


Andra länkar (på engelska):

Hipparcos (ESA)

GAIA (ESA)

Inst. f. astronomi
Forskning
Utbildning
Bibliotek
Personal
På gång
Seminarier
Resurser
Länkar
Lunds universitet



  
  (teckning: ESA)

Hipparcos

Hipparcos är ett unikt rymdprojekt, vars främsta syfte är att med stor exakthet bestämma stjärnors positioner, parallaxer och egenrörelser.  Sådana astrometriska data behövs bl.a. för att undersöka stjärnornas fysiska parametrar (exempelvis radie och massa) och deras tredimensionella fördelning och rörelser i Vintergatan.  Projektet antogs 1980 inom det vetenskapliga programmet för den europeiska rymdorganisationen ESA (European Space Agency).  Satelliten sköts upp med Ariane i augusti 1989 och var verksam fram till augusti 1993.  Under mer än tre år sände satelliten ner en nästan kontinuerlig ström av observationsdata, totalt ca 200 Gbyte, som bearbetades vid en flera olika astronomiska institut i Europa.  Lund Observatory, eller Institutionen för astronomi i Lund, var ett av dessa institut.

Trots att satelliten inte kom in i den avsedda geostationära banan, var projektet mycket framgångsrikt och alla de ursprungliga målsättningarna uppfylldes.  Slutresultatet utgöres av The Hipparcos and Tycho Catalogues, som publicerades av ESA i juni 1997.  Hipparcos-katalogen innehåller data för ca 120.000 stjärnor, med en astrometrisk noggrannhet omkring 1 mas (1 milliarcsec = 1 millibågsekund = 0,001 bågsekund).  Tycho-katalogen innehåller data för ca 1 miljon stjärnor, med en astrometrisk noggrannhet av 20-30 mas.  Båda katalogerna innehåller även fotometriska data, t.ex. uppgifter om variabla stjärnor.

Bakgrund

Astrometriska observationer, dvs mätningar av himlakropparnas lägen och rörelser på himlen, har utförts alltsedan antiken med en allt större precision.  Fram till 1800-talet, då astrofysiken växte fram (främst genom upptäckten av spektroskopin), var praktisk astronomi i stort sett detsamma som astrometri, medan teoretisk astronomi innebar celestmekanik, dvs tillämpningen av Newtons lagar på himlakropparna.  I våra dagar, när astronomi nästan har blivit synonymt med astrofysik, kan man kanske få intrycket att den klassiska astronomin, representerad av celestmekaniken och astrometrin, har spelat ut sin roll för utforskningen av universum.  Så är dock inte fallet.  Både den celesta mekaniken och astrometrin upplever en renässans bl.a. genom den tekniska utvecklingen inom rymdfärder, navigation, geodesi, radio- och radarastronomi, som både kräver och möjliggör extremt noggranna mätningar inom solsystemet och i förhållande till avlägsna kvasarer, samt naturligtvis genom datortekniken.  Hipparcos innebar ett genombrott i för den moderna astrometrin och är den första (och hittills enda) satelliten som byggts enkom för denna typ av observationer.

Astrometrins ändamål

I dagens astronomiska forskning har astrometrin två huvudsyften:

  1. att förse astronomerna med ett referenssystem för de astronomiska koordinaterna (rektascension och deklination).  Detta system ska vara icke-roterande i förhållande till de mest avlägsna objekten (exempelvis kvasarer), vara fritt från lokala deformationer (dvs fullständigt regelbundet), och vara tillgängligt i alla våglängdsområden (gamma, röntgen, ultraviolett, synligt, infrarött, radio).
  2. att förse astronomerna med elementära geometriska data om himlakropparnas avstånd, storlek och rörelser.
Ett icke-roterande referenssystem behövs för att man korrekt ska kunna tolka de observerade rörelserna med hjälp av fysikens lagar.  I ett roterande referenssystem uppstår nämligen skenbara krafter (centrifugal- och corioliskrafter) som felaktigt kan tolkas exempelvis som gravitationskrafter, om man inte känner till att systemet roterar.  Detta har praktisk betydelse bl.a. för studier av Vintergatans rotation.  Lokala deformationer i koordinatnätet kan likaså leda till felaktiga slutsatser om de krafter som påverkar himlakropparna.  Att referenssystemet är tillgängligt i alla delar av det eketromagnetiska spektret är nödvändigt för att möjliggöra identifikation och jämförelse av strålningskällor i olika våglängdsområden.

Avståndet till ett astronomiskt objekt är ofta av fundamental betydelse för att förstå dess fysik.  Skenbara storheter som vinkeldiameter och apparent magnitud kan översättas till fysiska egenskaper hos objektet (linjär diameter och absolut magnitud eller luminositet) endast om avståndet är känt.  På grund av den stora mångfalden av objekt i universum och den stora spridningen i deras egenskaper räcker det inte att känna avstånden till ett fåtal objekt.  Att systematiskt bestämma avstånd (genom parallax) till ett stort antal stjärnor av så många olika typer som möjligt är därför en av astrometrins huvuduppgifter.

Varför behövdes Hipparcos?

Inom radioastronomin används sedan länge interferometrar med vars hjälp man uppnår en mycket hög vinkelupplösning och positionsnogrannhet:  1 millibågsekund eller ännu bättre är ganska normalt.  I den synliga delen av spektrum (där exempelvis vanliga stjärnor lättast observeras) tycks emellertid atmosfären sätta en gräns åtminstone för vissa typer av astrometriska observationer.  Inom ett tillräckligt litet synfält (några bågsekunder) kan man visserligen nå mycket hög upplösning genom optisk interferometri eller adaptiv optik.  För bestämning av stjärnornas parallaxer och egenrörelser krävs emellertid mätningar över betydligt större vinklar, vilket har visat sig mycket svårt pga refraktionsfenomen i atmosfären och tyngdkraftens inverkan på instrumenten.  Ett astrometriskt teleskop i rymden, utanför jordatmosfären och i "tyngdlöst" tillstånd (dvs fritt fall), eliminerar dessa begränsningar.

Vetenskaplig målsättning

Den ursprungliga målsättningen för Hipparcos, så som den formulerades omkring 1980 när projektet accepterades inom ESAs vetenskapliga program, sammanfattas i nedanstående tabell.  Tycho-experimentet använde signalerna från två hjälpdetektorer (fotomultiplikatorer med B- resp. V-filter) för att härleda astrometriska och fotometriska data (med lägre noggrannhet) för många fler stjärnor än vad som kunde observeras med huvuddetektorn (en bilddissektor, jfr principskissen nedan).
 
Huvudexperimentet (Hipparcos)
Antal stjärnor 100.000
Gränsmagnitud V = 12,5 (visuell magnitud)
Komplett till V = 7,3 - 9,0 (*)
Noggrannhet, positioner 0,002 bågsekunder (9 mag)
Noggrannhet, parallaxer 0,002 bågsekunder (9 mag)
Noggrannhet, egenrörelser 0,002 bågsekunder/år (9 mag)
Systematiska fel < 0,001 bågsekund
(*) beroende på galaktisk latitud och spektraltyp
 
Tycho-experimentet
Antal stjärnor > 400.000
Gränsmagnitud B = 10 - 11 (blåmagnitud)
Noggrannhet, positioner 0,03 bågsekunder (10 mag)
Noggrannhet, fotometri 0,05 mag i B och V (per observation)
Antal observationer per star ca 100

Teleskop och detektorer
 
En principskiss av Hipparcos-instrumentet visas nedan.  Det optiska instrumentet består av ett Schmidt-teleskop med en öppningsdiameter på 0,29 cm och fokallängd 1,4 m.  Schmidt-korrektorn utgöres av en planspegel, vars yta deformerats något för att kompensera primärspegelns sfäriska aberration.  För att få ett kompakt instrumentet viks strålgången samman med hjälp av en andra planspegel.  I fokus finns en glasplatta med 2688 parallella spalter.  När instrumentet roterar kring sin axel passerar stjärnorna över spalterna och genererar en periodisk detektorsignal.  Fasen och amplituden av modulationen ger stjärnans position och magnitud vid observationstillfället.  Instrumentet vrider sig så, att varje stjärna passerar genom synfältet ca 20-40 ggr per år.  Synfältets storlek är 0,9° x 0,9°.  Ljusmodulationerna fångas upp av en särskild sorts detektor, en s.k. bilddissektor (image dissector tube, IDT), som är ljuskänslig endast inom ett litet område (38 bågsekunder i diameter).  Det ljuskänsliga området kan elektroniskt dirigeras till olika punkter inom synfältet och kan alltså centreras på den stjärna (eller annat objekt) som man vill observera.  I ett visst ögonblick kan dock endast ett objekt observeras, vilket gör observationsprocessen relativt ineffektiv (jfr GAIA, där upp till 100.000 stjärnor kan observeras samtidigt med hjälp av CCD-detektorer).


Hipparcos: teleskop och ljusdetektorer

Den första planspegeln (Schmidt-korrektorn) består i själva verket av två spegelhalvor, som limmats samman med en inbördes vinkel på 14,5°.  Detta medför att två synriktningar samtidigt reflekteras in i teleskopet.  Vinken mellan synriktningarna är 4 x 14,5° = 58°, den s.k. basvinkeln (basic angle).  I synfältet kan man omväxlande observera stjärnor från de två synriktningarna, dvs från vitt skilda delar av himlen.  Detta är en unik egenskap hos Hipparcos-instrumentet, som gör det möjligt att mäta stora vinklar (global astrometri) med samma höga noggrannhet som inom synfältet på 0,9°.  För att detta ska fungera måste man emellertid kunna bestämma basvinkeln med motsvarande noggrannhet (ca 0,001 bågsekund).  Detta är möjligt tack vare att instrumentet roterar (period = 128 min).  Man utnyttjar då att summan av vinkelmätningarna längs en storcirkel ska vara exakt 360° (closure condition).  Om man använder fel värde på basvinkeln, uppfylles inte detta villkor och man kan beräkna ett bättre värde på basvinkeln.  Skalan och den optiska distorsionen i synfältet kan bestämmas på liknande sätt.  De geometriska egenskaperna hos instrumentet kan således kalibreras ur observationerna själva, vilket är en stor fördel.

Slutlig astrometrisk noggrannhet

Följande tabell visar den genomsnittliga noggrannheten i Hipparcos-katalogen för stjärnor ljusare än 9 mag.  Jämförelse med den tidigare tabellen visar att de ursprungliga målen överträffats med mer än en faktor två.
 
Huvudexperimentet (Hipparcos)
Noggrannhet, positioner 0,00077 resp 0,00064 bågsek (två koordinater)
Noggrannhet, parallaxer 0,00097 bågsekunder
Noggrannhet, egenrörelser 0,00088 resp 0,00074 bågsek/år (två koordinater)

Vetenskaplig betydelse

Hipparcos-resultaten har utomordentlig betydelse för en mängd vetenskapliga undersökningar av stjärnornas egenskaper, fördelning och rörelser. Ett mått på projektets betydelse kan man få genom att räkna hur många publicerade vetenskapliga artiklar som refererar till Hipparcos (vilket vanligen betyder att man använder sig av dess resultat). Fram till juli 2002, dvs. ganska exakt 5 år efter att Hipparcos-katalogen offentliggjorts, fanns det 1114 artiklar med "Hipparcos" i titeln, och 2609 artiklar där Hipparcos nämndes i artikelns Abstract. Statistiken togs fram med hjälp av ADS Abstract Service.



Institutionen för astronomi, Box 43, 22100 Lund
Besöksadress: Sölvegatan 27
Telefon: 046-22 27300, Fax: 046-22 24614
Ansvarig utgivare: Arne Ardeberg
E-post: webmaster@astro.lu.se
Senast uppdaterad: 2002-07-13