天文常数系统
【中文词条】天文常数系统
【外文词条】system of astronomical constants
【作者】许邦信
用于编算天文年历和计算天体位置的一组与地球有关的常数﹐包括﹕地球的大小﹑形状和重力场﹐地球的轨道要素﹐岁差常数﹑章动常数和光行差常数﹐以及太阳﹑月球和行星的质量等数值。这些常数是使用天文﹑物理或大地测量学的测量方法直接或间接测定的。它们综合地表示出地球以疤粝灯渌焯宓牧ρ匦院驮硕媛伞
到目前为止﹐天文观测主要在地面上进行﹐直接测量的是天体相对于观测站的位置。但是﹐在理论研究中所计算的是天体相对于地月系中心﹑日心或银河系中心的位置。为了把观测结果同理论计算结果进行比较﹐必须把它们换算到同一个坐标系统﹐而在坐标换算时就需要利用上述常数。因此﹐天文常数系统是研究天体的空间分布和运动规律的基本数据。
在天文常数系统中﹐各个常数的数值并不是完全独立的。根据天体力学的理论﹐某些常数之间应该满足一定的数学关系式。这样﹐在选定各个常数值时﹐除应考虑它们的观测精度以外﹐还要考虑它们相互之间的理论关系﹐即它们的系统性。这就是所谓“系统”的含义。正因为如此﹐天文常数系统中的各个常数值﹐并不一定都是当时最精确的测定值。天文常数系统的建立和修改﹐一般都经过国际会议讨论通过﹐并且规定各国的天文工作者在统一的时间内共同使用。到目前为止﹐先后建立了三个天文常数系统。
纽康天文常数系统 1896年在巴黎召开的国际基本恒星会议上﹐首次决定在各国天文年历中共同采用美国天文学家纽康所确定的岁差常数﹑章动常数﹑光行差常数和太阳视差等常数值。当时还没有提出天文常数系统的概念﹐只考虑到这样做便于天文年历的比较和使用﹐以后逐步扩充了一批共同采用的天文常数﹐尽管它们之间并没有明确的系统性﹐但由于其中的主要常数值大多是由纽康所确定的﹐后人习惯上把这批常数统称为纽康天文常数系统。这个系统一直使用到1967年底。
纽康天文常数所依据的大多是1750～1890年间的天文观测资料﹐精度较低。此外﹐它还存在两方面的缺点﹕主要常数值之间存在矛盾。例如由太阳视差推算天文单位距离的光行时﹐得 =49858﹐而由光行差常数推算﹐虻?em> =49838。又如 E.W.布朗的月球运动表中所采用的地月质量比 1/μ =81.53﹐与纽康所确定的数值1/μ =81.45不同﹔在确定各常数值时﹐没有考虑地球自转不均匀性﹑银河系自转和相对论效应等因素的影响。
荷兰天文学家德西特首先提出﹐理想的天文常数系统应该具备两个条件﹕第一﹐各常数的数值应该严格符合根据理论推出的关系式﹔第二﹐每个常数的采用值与最精确的测定值之差应在其观测误差范围以内。他选择了测定得最精确的8个天文常数作为基础常数﹐把其他常数作为导出常数﹐假定地球为均匀的扁球体﹐从理论上严格推导了每个导出常数与基础常数的数学关系式﹐提出了建立包括40个常数的天文常数系统的方案。德西特的文章是在他死后由他的学生布劳威尔整理的﹐于1938年发表。1948年克莱门斯根据德西特的理论﹐又提出了包括27个常数的天文常数系统方案﹐特别提出了天文学的时间计量单位──历书时的概念。
第二次世界大战以后﹐出现了一些测量天文常数的新的观测仪器和方法﹐特别是利用人造卫星﹑行星际火箭和雷达测距等﹐使观测精度大为提高。另一方面﹐为了发射人造卫星和行星际火箭﹐又对天文常数的精度提出了更高的要求。在德西特和克莱门斯工作的基础上﹐经过1950年和1963年两次国际天文常数会议的讨论﹐建立了新的天文常数系统。
1964年国际天文学联合会天文常数系统 这个系统是1964年国际天文学联合会通过的﹐规定从1968年开始正式使用。系统中包括定义常数﹑基础常数﹑导出常数和行星质量系统四类﹐定义常数是用定义规定的常数﹐它们没有误差﹔基础常数是直接测定的最精确的常数﹔导出常数是根据它们同定义常数和基础常数的理论关系式计算的常数﹔行星质量系统是专门在行星运动理论中所采用的一组常数。
这个系统的常数值比纽康天文常数系统更精确﹐常数之间的关系也更合理﹐但是对于黄经总岁差﹑黄赤交角﹑章动常数和行星质量系统﹐则因牵涉的问题较多﹐尚未进行修改。1974年国际天文学联合会又组成一个修改天文常数的工作小组﹐提出了第三个天文常数系统。
1976年国际天文学联合会天文常数系统 这个系统是1976年国际天文学联合会通过的﹐规定从1984年开始正式使用﹐这个新系统﹐除根据新的观测资料对1964年系统中的各常数值作了修改外﹐还有下面几点变化﹕给天文学的基本单位作出规定﹕国际单位制的长度﹑质量和时间单位分别是米﹑公斤和秒。天文学的时间单位是日﹐等于86﹐400秒。36﹐525日等于一儒略世纪。天文学的质量单位是太阳质量 S 。除了对天文学的时间单位和质量单位作出规定外﹐还用高斯引力常数k =0.01720209895来规定天文学的长度单位A ﹐它又简称为天文单位。根据天文学时间单位的新规定﹐这个系统中取消了关于历书时的定义常数。把计算天文常数的标准历元由1900年改为2000年。新的标准历元是公元2000年1月1.5日﹐即儒略日2﹐451﹐545.0﹐记为J2000。把天文单位距离的光行时由导出常数改为基础常数。另外把引力常数 G 作为新的基础常数。
1984年前将出版一本用新天文常数系统计算的新的基本星表── FK5星表。在采用新天文常数系统的同时﹐将采用FK5星表作为天文位置的基本参考系统。此外﹐由于采用新的岁差常数﹐所有过去测定的恒星自行都需要作相应的改正。
天文常数系统的建立既与天体运动的理论有关﹐又与各常数的测定技术和方法有关。它有很多尚待研究的问题﹐例如﹐行星和月球的运动理论存在某些不完善的地方。此外﹐目前所采用的章动理论是根据刚体地球模型建立的﹐在1979年的国际天文学联合会大会上﹐用非刚体地球模型计算章动常数得N =92044(J2000)﹐并决定从1984年起采用。
参考书目
库利科夫著﹐吴守贤译﹕《新天文常数系统》﹐科学出版社﹐北京﹐1979。(..﹐ ﹐“”﹐﹐1969.)