Астрометрия

Астрометрические исследования необходимы для ориентировки на местности и счета времени, а также для изучения явлений суточного вращения небосвода и движения различных небесных объектов.

Первые астрометрические наблюдения (т.е. наблюдения с применением каких-либо угломерных приспособлений, произведенные с целью определения взаимных положений и координат светил) были осуществлены еще за несколько тысячелетий до нашей эры (Вавилон, Египет, Китай, Англия). Первый известный звездный каталог, содержащий положения около 800 звезд, был составлен в Китае в IV веке до нашей эры.

В Древней Греции возникают научные представления о Земле, делаются попытки определения ее размеров с использованием астрометрических наблюдений. Древнегреческими астрономами были составлены наиболее точные для того времени каталоги положения звезд в III–II веках до нашей эры (с точностью до 15 угловых минут, что соответствует угловым размерам видимых радиусов дисков Луны и Солнца) и на основе этого открыто одно из фундаментальных астрометрических явлений – предварение равноденствия (прецессия), точный учет которого оказался необходимым для всех последующих работ при создании каталогов звезд.

Угломерные приспособления, инструменты, использовавшиеся древними астрономами, были очень примитивны; зрительные трубы и телескопы появились лишь в начале XVII века, их впервые использовал Галилео Галилей.

Впервые астрономическую трубу в качестве визирного приспособления для измерения углов применил в 60-х годах XVIII века в Парижской обсерватории астроном Жан Пикар.

В России первые астрометрические наблюдения были выполнены при Петре I: в 1717 году им были организованы экспедиции для определения географических координат городов и населенных пунктов. Первая Российская астрономическая обсерватория, созданная в Москве сподвижником Петра I Я.В.Брюсом, была снабжена наиболее совершенными для того времени телескопами и угломерными инструментами для наблюдений за различными небесными явлениями.

Одна из первых астрономических обсерваторий в Казани находилась на территории Казанской первой мужской гимназии (1767–1774); инструменты для нее были привезены из Московского университета. Здесь 24 мая 1769 года учителем гимназии Григорием Комовым были выполнены первые в Казани астрометрические наблюдения. Они заключались в регистрации обстоятельств прохождения планеты Венеры по диску Солнца и вычислении на основе этого широты и долготы Казани. Результаты были опубликованы 18 августа 1769 в приложениях к газете «Московские ведомости».

12 июля 1774 года, во время взятия Казани войсками Е.И.Пугачева, обсерватория сгорела.

Дальнейшее развитие астрометрии в Казани связано с учреждением в 1804 году Казанского университета, по уставу которого полагалось создать и астрономическую обсерваторию. Инструменты обсерватории Казанского университета, приобретенные в 1820–1840-е годы, позволили выполнять систематические астрометрические наблюдения и заложить основы казанской астрономической школы. Объектами наблюдений были как звезды, так и тела Солнечной системы – Луна, Солнце, планеты, кометы, наиболее крупные астероиды. Так, в 1835 году И.М.Симоновым был получен исключительно крупный ряд 440 наблюдений кометы Галлея.

Высокоточные определения моментов местного времени и координат тел Солнечной системы, выполненные казанскими учеными, стали также основой для последующего развития методов теоретических расчетов в небесной механике. Еще в XIX веке казанские астрометристы, работая над созданием каталогов звезд, стали сотрудничать с учеными Германии, Франции, Англии и других стран.

Дальнейшее развитие астрометрии в Казани связано с именами М.В.Ляпунова, М.А.Ковальского, М.А.Грачева, Д.И.Дубяго. М.В.Ляпунов впервые начал выполнять наблюдательные программы (1840–1854) совместно с учеными Пулковской обсерватории под Санкт-Петербургом. Это принесло мировую известность Казанской обсерватории – самой восточной обсерватории того времени в Европе.

М.А.Ковальский, возглавивший обсерваторию после М.В.Ляпунова, не только вел активные астрономические наблюдения по совместным международным программам (участвовал в составлении каталога положений более 4200 звезд в зоне склонений от +75 до +80°), но и широко использовал их результаты в теоретических исследованиях. М.А.Ковальским была впервые высказана идея о вращении нашей Галактики и разработан метод определения движения Солнца в пространстве среди звезд, ставший классическим и вошедший затем в учебники по звездной астрономии.

По предложению Д.И.Дубяго, казанские астрометристы приняли участие в исследовании явления изменяемости широты. М.А.Грачев в 1892–1901 годах сделал около 8 тысяч определений широты и при этом достиг исключительно высокой точности наблюдений – около 0,2 угловых секунд за весь период наблюдений и 0,05 угловых секунд за ночь. Это позволило начать исследование периодических составляющих движения полюсов Земли, а также определить одну из фундаментальных астрометрических величин – постоянную годичной аберрации, среднее значение которой (20",525±0"002) в пределах ошибки измерений совпало с результатами определения в других обсерваториях земного шара.

Основание Астрономической обсерватории имени В.П.Энгельгардта определило все дальнейшее развитие астрометрии в Казани в ХХ веке. Обсерватория была оснащена первоклассными астрометрическими инструментами. Это позволило И.В.Бельковичу, А.А.Нефедьеву, А.И.Нефедьевой, И.А.Урасиной, В.В.Лапаевой и другим с высокой точностью выполнять долговременные астрометрические наблюдения совместно с советскими и зарубежными учеными. Сотрудники обсерватории приняли участие в работах по определению географической широты для практических целей геодезии и международных служб времени.

В исследованиях особенностей движения и фигуры Луны (направление в астрономии, возникшее в Казани еще на рубеже XIX–XX веков при участии А.В.Краснова и А.А.Яковкина) большая роль принадлежит Ш.Т.Хабибуллину, который в 1949–1953 годах первым в мире успешно применил фотографические наблюдения для изучения физической либрации Луны, а в 1966 году разработал нелинейную теорию ее физической либрации. Наступление космической эры стимулировало его работу по определению лунных координатных систем, изучению геометрию фигуры Луны и ее гравитационного поля. По инициативе Ш.Т.Хабибуллина была создана Северо-Кавказская астрономическая станция Казанского университета, в 1975 году там был установлен 40-сантиметровый широкоугольный астрограф немецкой фирмы «Цейсс». Им же, совместно с А.А.Нефедьевым, в 1977 году был сделан заказ на изготовление для Казанского университета универсального астрономического телескопа с диаметром главного зеркала 1,5 м (производство Ленинградского оптико-механического объединения), впоследствии (1998) установленного на юге Турции (смотри: Телескоп оптический).

С помощью 40-сантиметрового астрографа Н.Г.Ризвановым, И.А.Даутовым и другими в 1975–1995 годах был реализован широкий ряд фотографических астрометрических программ, среди которых наиболее значительными являются определение, с целью координатной поддержки советской космической программы «Венера-Галлей», точных координат кометы Галлея во время ее приближения к Солнцу (1986) и выполнение масштабных программ «ФОН» и «ФОКАТ» по фотографическому обзору неба в зоне склонений от –20 до +90°.

Одной из серьезных помех наземной астрометрии является рефракция (преломление) света в земной атмосфере, которая не позволяет определять координаты небесных светил с точностью выше 0,01 угловой секунды при наблюдениях классическими методами оптической астрометрии. В Астрономической обсерватории имени В.П.Энгельгардта А.И.Нефедьевой были выполнены фундаментальные работы по исследованию и учету рефракции, фактически определившие развитие этого направления астрометрии в нашей стране.

Невозможность преодолеть ограничение точности определения координат из-за рефракции традиционными наземными методами астрометрия заставила искать иные подходы, что и привело в 1960–1970-е годы к появлению новых методов – использованию радио и оптических интерферометров и установке астрометрических телескопов на борту космических аппаратов. Радиоинтерферометры со сверхдлинной базой (сеть радиотелескопов различных стран мира, разнесенных по территории земного шара) позволили впервые достичь точности определения координат радиозвезд и галактик в 0,0001 угловой секунды, что соответствует измерениям длин дуг на земной поверхности с точностью до 3 мм на расстояниях в несколько тысяч км.

Дальнейшее ограничение точности наземных наблюдений даже интерферометрическими методами связано с неопределенностями констант в теории нутации оси вращения Земли, которая вызвана гравитационным влиянием Луны на тело Земли, имеющей жидкое ядро в центре.

Уточненные данные констант для теории нутации получены в 1990-е годы в Казани В.В.Лапаевой по результатам повторной обработки наблюдений широты, проводившихся с 1957 года в Астрономической обсерватории имени В.П.Энгельгардта. Их учет дает возможность преодолеть ограничения точности при использовании наземных интерферометрических методов.

В 1989–1993 годах европейскими астрометристами был впервые реализован космический астрометрический проект «HIPPARCOS», названный в честь знаменитого древнегреческого астронома Гиппарха. Каталог спутника «HIPPARCOS» (1997) содержит координаты, расстояния до звезд и данные собственно движения 120 тысяч звезд с беспрецедентной для такого большого количества звезд точностью в 0,001 угловой секунды. Эти астрометрические данные важны не только для астрономии, но и для геофизики, геологии, геодезии.

Дубяго А.Д. Определение орбит. М.–Л., 1949.

Корытников С.Н. Начало астрономии в Казани // Историко-астрономические исследования. М., 1955. Вып. 1.

Корытников С.Н. О первой Симоновской обсерватории Казанского университета // Учебные записки Казанского университета. 1957. Т. 117, кн.9.

Хабибуллин Ш.Т., Чиканов Ю.А. Лунный эллипсоид по измерениям абсолютных высот // Казанская городская астрономическая обсерватория. 1970. № 37.

Хабибуллин Ш.Т., Санович А.Н. К вопросу об астрометрических наблюдениях с поверхности Луны методом равных высот // Астрономический журнал 1971. Т. 48, вып. 4.

Казанский университет. 1804–1979: Очерки истории. Казань, 1979.

Подобед В.В., Нестеров В.В. Общая астрометрия. М., 1982.

Положенцев Д.Д. Радио- и космическая астрометрия: Учебное пособие. Л., 1982.

Урасина И.А. Наблюдения за изменяемостью широты и приливными колебаниями отвеса в Казани // Историко-астрономические исследования. М., 1983. Вып. 16.

Колчинский И.Г., Корсунь А.А., Родригес М.Г. Астрономы: Биографический справочник. Киев, 1986.

Нефедьева А.И., Подобед В.В. Фундаментальная астрометрия. Казань, 1989.

Ризванов Н.Г. Фотографическая астрометрия. Казань, 1991.

Автор – И.Ф.Бикмаев