«Гравитационный шум» мешает определять координаты далёких источников

Гравитационное поле нашей Галактики ограничивает точность астрометрических наблюдений далёких объектов. Сильнее всего это проявляется для объектов, которые визуально расположены в центральных областях Галактики и Галактической плоскости, где отклонение может достигать нескольких десятков микросекунд дуги. И, что ещё важнее, — влияние такого гравитационного «шума» неустранимо.

Это значит, что точность определения положения так называемых опорных (реперных) объектов, относительно которых определяются координаты всех других источников, в какой-то момент уже невозможно будет улучшить. Результаты работы опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.

Хорошо известно, что наша планета Земля и сама Солнечная система находятся в глубинах галактики Млечный путь и именно сквозь неё люди смотрят на остальную часть Вселенной. Как оказывается, это вовсе немаловажное обстоятельство для астрофизических исследований. Насколько сильно гравитационное поле нашей Галактики и его неоднородность могут повлиять на точность определения координат далёких — внегалактических — объектов? Попытку оценить это предприняла группа российских астрофизиков из Астрокосмического центра Физического института им. Лебедева и Института космических исследований РАН, Московского физико-технического института, а также Института астрофизики Общества им. Макса Планка (Германия).

Собственные движения, угловые размеры и тригонометрические параллаксы (видимые смещения) небесных тел, в том числе звезд, — базовые параметры для решения многих астрофизических задач. Эти параметры определяются методами астрометрии, и для того, чтобы определить, например, положение или лучевую скорость звезды, требуется некоторая система координат, относительно которой они будут измеряться. Все используемые сегодня системы координат, в том числе и Международная небесная система отсчёта (International Celestial Reference Frame, ICRF) построены по координатам нескольких сотен «определяющих»  внегалактических источников. Квазары и далекие галактики являются идеальными реперными точками для определения небесной системы отсчёта, поскольку их угловое движение очень мало — порядка одной сотой угловой миллисекунды (для сравнения, диаметр, например, Луны — чуть более 31 угловой минуты). 

Угловая секунда — внесистемная астрономическая единица измерения малых углов, тождественная секунде плоского угла. По аналогии с делением часа как интервала времени градус угла делят на 60 минут, а минуту — на 60 секунд.

Астрофизическое приборостроение развивается бурными темпами и ожидается, что в ближайшем будущем точность радиоинтерферометрических наблюдений достигнет 1 микросекунды, а оптических — 10 микросекунд в год. Однако при такой точности возникает новая сложность — в наблюдения вмешиваются эффекты общей теории относительности, и прежде всего отклонение луча при движении в гравитационном поле.

Когда луч от далёкого объекта проходит вблизи какого-либо объекта, он слегка отклоняется гравитацией последнего. Это отклонение обычно очень мало, однако если на пути встречается много таких объектов, то оно может стать значимым. Более того, так как объекты движутся, угол отклонения луча меняется во времени и координаты источника начинают как будто «блуждать» вблизи их истинного значения. Важно отметить, что эффект «блуждания» координат относится ко всем далеким источникам, в том числе и к тем, что являются опорными для построения систем координат.

«При попытке улучшить точность реализации опорной системы координат появляется ограничение, которое уже невозможно обойти просто улучшая точность регистрирующей аппаратуры.. Фактически возникает гравитационный шум, не позволяющий повысить точность реализации системы координат выше определенного уровня», — говорит Александр Лутовинов, профессор РАН, руководитель лаборатории ИКИ РАН и преподаватель МФТИ.

Исследователи попытались оценить, насколько сильно такой гравитационный шум может помешать наблюдениям. Основой для расчётов стали современные модели распределения вещества в Галактике. Для каждой модели были построены двумерные «карты» всего неба, на которые нанесены средние квадратичные углы смещения положения далёких источников относительно их истинного положения.

Рисунок: Карта характерных  величин "блуждания" координат источников вблизи их истинного положения, вызываемого "гравитационным шумом" Галактики, в микросекундах дуги (показаны контурами) для десятилетнего интервала наблюдений. Крестиками показаны положения опорных источников Международной небесной системы отсчетаFig2_new.jpg

«Наши вычисления показали, что для разумного времени наблюдений около десяти лет величина среднего квадратичного отклонения смещения положения источников будет составлять около 3 микросекунд дуги на высоких широтах, увеличиваясь до нескольких десятков микросекунд в центральных областях Галактики, — рассказывает Татьяна Ларченкова, старший научный сотрудник АКЦ ФИАН. — А это значит, что когда точность измерений в абсолютной внеатмосферной астрометрии достигнет микросекунд, то эффект «блуждания» координат опорных источников, которое вызывает нестационарное поле Галактики, будет необходимо учитывать».

Учёными были исследованы свойства такого гравитационного шума, которые в будущем позволят выделять его из данных наблюдений, а также было показано, что влияние этого эффекта «блуждания» координат можно частично компенсировать математическими методами.

Работа была поддержана грантом РНФ №14-22-00271.