The Astrometric Performance of the China Space Station Telescope (CSST) Sky Survey in Extending the Gaia Celestial Reference Frame

Mon, 01 Jul 2024 00:00:00 +0000

中国空间站工程巡天望远镜（China Space Station Telescope, CSST）是中国载人航天的旗舰级项目，搭载包括多色成像和无缝隙光谱巡天模块、多通道成像仪、积分视场光谱仪、系外行星成像星冕仪以及高灵敏度太赫兹模块在内的多个观测设备。CSST的科学目标广泛，其观测能为宇宙学、星系科学、系外行星、天体测量等多个领域的前沿科学研究提供帮助。在天体测量领域上，CSST以其极高的观测精度和极暗的观测星等（g波段星等为25时精度约为10 mas）展现了在建立和维持天球参考架方面巨大潜力。由于CSST观测方式的限制，我们无法单独地使用其观测数据来建立类似国际天球参考架（ICRF）这样的参考架。因此CSST数据更适合作为现有参考架的延伸，尤其是对与其观测波段相近的Gaia天球参考架（Gaia-CRF3）的暗端延伸。Gaia-CRF3是基于Gaia卫星第三期数据（Gaia DR3）建立的河外参考架，包含了大约160万颗河外源的位置和自行[1]。在2021年国际天文联合会（IAU）决议中，Gaia-CRF3被采纳为国际天球参考系（ICRS）在光学波段的实现，其中ICRS是天文学中目前最常用的研究天体的位置和运动的参考系统。此工作通过比较模拟得到的CSST河外源天测数据和Gaia-CRF3的观测数据，估计了CSST的天体测量的观测精度，以及以CSST数据建立CSST参考架（CSST-CRF）并作为Gaia-CRF3的延伸的可行性。以下为方便起见，将CSST模拟的河外源星表简称为CSST-CRF。

首先，我们使用矢量球谐函数的方法以及最小二乘中的协方差矩阵[2]估计了CSST-CRF的指向精度。我们首先使用Gaia-CRF3中河外源的位置分布以及Pan Starrs星表中的河外源误差-星等关系模拟了一系列CSST的河外源观测；接着我们使用CSST模拟观测估计出CSST-CRF的轴指向不确定度为大约11 微角秒。这一不确定度略高于Gaia-CRF3与ICRF3的指向偏差精度（几个微角秒），对于CSST-CRF与Gaia-CRF3的未来的连接影响不大。然而需要注意到，我们的估计仅仅考虑了观测的随机误差引起的指向不确定性，而没有考虑实际上影响往往更大的系统误差。而未来两个参考架之间的连接精度也可能主要受系统误差的影响。

CSST观测范围（蓝色区域）以及ICRF3-Gaia CRF3公共源（红点）

接着，我们估计了CSST天区覆盖不完全对其扩展Gaia参考架时的影响。根据CSST的观测计划，其观测范围为中高银纬和中高黄纬约17500平方度的天区，并不能覆盖全天。将CSST观测范围内的Gaia-CRF3源记为Gaia-CRF3’，由于Gaia在全天各个位置的观测精度并不完全一致，CSST实际所扩展的Gaia-CRF3’与完整Gaia-CRF3之间可能存在系统偏差，进而影响CSST-CRF与Gaia-CRF3的连接。为此，本工作估计了Gaia-CRF3与Gaia-CRF3’之间的指向偏差。由于Gaia-CRF3’的源数据都来自于Gaia-CRF3，估计它们的偏差不能使用通常的共同源的方法，而需要借助于一个中间参考架。我们选择第三代国际天球参考架（ICRF3）作为中间参考架，通过分别估计Gaia-CRF3’和Gaia-CRF3与ICRF3的偏差，来间接得到Gaia-CRF3和Gaia-CRF3’的偏差。估计结果显示Gaia-CRF3和Gaia-CRF3’的偏差在十几个微角秒的量级，对CSST-CRF与Gaia-CRF3的连接影响较小。同时我们也分别估计了Gaia-CRF3和Gaia-CRF3’由于源的自行引起的参考系的整体旋转与整体漂移速率，发现两者在误差水平内保持一致。

不同星表的观测源关于星等的分布（上图）以及观测精度（下图）

最后，本工作探讨了CSST-CRF对于建立多波段参考架可能的作用。建立多波段的参考架是天体测量学的重要目标。我们在图上画出CSST以及几个近紫外（NUV）/近红外（NIR）波段的常见星表的观测星等范围，以及在不同星等下的观测精度。由图可见，CSST的加入能扩充目前NUV和NIR波段的暗端观测。由于暗端的源密度更大，可以预期CSST的观测可以极大提高NIR和NUV参考架的源数量，并且拓宽参考架的星等范围。

综上所述，未来CSST的成功观测将有望极大丰富目前参考架中的河外源，将Gaia参考架向暗端延伸，并且在多波段参考架的工作上做出独特的贡献。该项研究以“The Astrometric Performance of the China Space Station Telescope (CSST) Sky Survey in Extending the Gaia Celestial Reference Frame”为题在2024年7月发表于《Research in Astronomy and Astrophysics》上。南京大学天文与空间科学学院研究生姚俊为论文第一作者，南京大学刘佳成教授为论文的通讯作者。

参考文献

[1] Gaia Collaboration, Klioner, S. A., Lindegren, L., et al. “Gaia Early Data Release 3. The celestial reference frame (Gaia-CRF3).” Astronomy & Astrophysics, vol. 667, 2022, p. A148. doi:10.1051/0004-6361/202243483
[2] Mignard, F., and Klioner, S. “Analysis of Astrometric Catalogues with Vector Spherical Harmonics.” Astronomy & Astrophysics, vol. 547, 2012, p. A59. doi:10.1051/0004-6361/201219927.

CSST天体测量科学课题推进研讨会

Thu, 09 Nov 2023 08:00:00 +0800

2023年11月9日至11日，CSST天体测量科学课题推进研讨会在南京大学国际会议中心举行。

本次会议旨在推进中国空间站工程巡天望远镜（CSST）天体测量科学课题的开展，交流研究进展与成果，并讨论后续仿真数据需求。主要议题包括：

已结题二类课题的研究成果和最新进展。
一类课题的研究进展与阶段性成果。
各课题对未来仿真数据的需求。

CSST | 南大天体测量课题组

The Astrometric Performance of the China Space Station Telescope (CSST) Sky Survey in Extending the Gaia Celestial Reference Frame

参考文献

CSST天体测量科学课题推进研讨会