Effect of Galactic aberration on Earth orientation parameters: From the ICRF2 to the ICRF3

Thu, 01 Sep 2022 00:00:00 +0000

银河系光行差效应对地球自转参数解算影响

天球参考架和地球参考架是天文中最常使用的两类参考架。其中，天球参考架主要依靠天体（过去主要是恒星，而现在主要是河外源）的位置来建立，与空间固连，适合描述天体在天空中的位置和运动；而地球参考架与地球固连，更适合描述望远镜等在地球上物体的地理经纬度、水平高度等。对于许多的天文观测和研究，我们需要同时用到天球参考架和地球参考架，而这时就需要用到两个参考架之间的转换。考虑地球参考架是与地球固连的，若能了解地球在天球参考架中的运动，便能得到地球参考架和天球参考架之间的转换。而地球自转参数（Earth Orientation Parameters，EOP）是一组描述地球在空间中运动的参数，其与岁差章动模型一起能描述地球自转轴在任意时刻在空间中的指向。地球自转参数一共包含五个参数，分别为描述极移的两个参数($x_p$,$y_p$)、反映地球自转速率变化的参数dUT1以及岁差章动模型修正量($dX$,$dY$)。

因为地球自转运动较为复杂，因此对地球自转参数需要持续监测。目前，地球自转参数的测量方法主要有甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry， VLBI）、全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）和激光测月（Lunar Laser Ranging, LLR）三种，其中VLBI是唯一可以同时测量所有5个地球自转参数的技术。VLBI是一个由分布在全球各地的射电望远镜所组成的一个巨大干涉阵网络，观测目标为天空中的射电信号，这些射电信号主要为类星体以及一些致密的河外射电源。由于地面的射电望远镜与地球固连，能反映地球参考架，而观测的河外源位置能反映天球参考架，因此VLBI技术能测量地球自转参数。

更确切来说，VLBI对地球自转参数的测量是通过VLBI的观测来解算地球自转参数。在解算中，需要输入许多先验模型，而天球参考架也是其中之一。由一系列河外射电源高精度位置定义的国际天球参考架（The International Celestial Reference Frame，ICRF）是VLBI解算中所主要使用的参考架。目前最新的国际天球参考架是第三代国际天球参考架（ICRF3[1]），其在2019年1月取代了第二代国际天球参考架（ICRF2[2]）。相较于ICRF2，ICRF3中的河外源数目从3414增加到了4356颗，对用于定义框架轴的定义源进行了更加严格的挑选，并且首次加入了对银河系光行差效应的建模。

光行差效应是指，对于一个运动的观测者，其观测到的目标光源的位置相对于光源的真实位置会有一个朝向速度方向的位移。这好比我们在下雨天坐车时，车窗上的雨滴的轨迹是倾斜而非竖直的，让人觉得雨滴是从斜前方打来而非从上方落下。更进一步而言，对于一个加速运动的观测者，其观测到的目标光源会有一个朝向加速度方向的运动（自行）。我们所处的太阳系在绕着银河系中心旋转，因此，太阳系中的所有观测者都有一个指向银心方向的加速度，而这一加速度会使得我们观测的所有天体都有一个指向银心方向的视自行，即银河系光行差效应。

光行差效应对观测的影响

银河系光行差引起的ICRF2中源的理论自行（Liu et al. 2012 [3]）

考虑到EOP是连接天球参考架和地球参考架的参数，所使用的天球参考架的转变势必会对其造成一定影响。在本工作中，我们研究了ICRF2到ICRF3的转变，特别是银河系光行差建模对于VLBI解算地球自转参数的影响的大小。我们使用了从1980年到2020年40年间的VLBI观测数据，解算了考虑与不考虑银河系光行差的地球自转参数的变化。通过比较，我们发现了银河系光行差的建模与否会使得dY上有一个约${\rm 0.3~\mu as~yr^{-1}}$的速率差异，在40年的观测时间尺度上，这一差异会累计超过10个微角秒，这在目前高精度的岁差章动模型下是不可忽略的。此外，我们还发现，40年中银河系光行差效应对地球自转参数的影响并不完全一致，具体的影响随着观测目标源的分布以及参与观测的射电望远镜的分布发生改变。而一个在全天球中更加均匀目标源的分布和一个地理上更加均匀的望远镜分布会有效的减少银河系光行差的建模对解算带来的影响。

银河系光行差对地球自转参数解算的影响

该项研究以《Effect of Galactic aberration on Earth orientation parameters: From the ICRF2 to the ICRF3》为题在2022年9月发表于欧洲《Astronomy and Astrophysics》上。南京大学天文与空间科学学院研究生姚俊同学为论文第一作者，南京大学刘佳成教授为论文的通讯作者。

参考文献

[1] Charlot, P., “The third realization of the International Celestial Reference Frame by very long baseline interferometry”, A&A, vol. 644, 2020. doi:10.1051/0004-6361/202038368.
[2] Fey, A. L., “The Second Realization of the International Celestial Reference Frame by Very Long Baseline Interferometry”, A&A, vol. 150, no. 2, IOP, 2015. doi:10.1088/0004-6256/150/2/58.
[3] 刘佳成,刘牛.银河系光行差及其对天文参考架的影响[J].天文学报,2020,61(1):10.

地球定向参数 | 南大天体测量课题组

Effect of Galactic aberration on Earth orientation parameters: From the ICRF2 to the ICRF3

银河系光行差效应对地球自转参数解算影响

参考文献