Млечный Путь мешает нам видеть звезды в правильном месте

И Земля, и вся Солнечная система находятся в глубинах галактики Млечный Путь, и на остальную часть Вселенной мы смотрим именно сквозь нашу галактику. Это важно учитывать в астрофизических наблюдениях, поскольку гравитационное поле Млечного Пути, его неоднородность могут повлиять на точность определения координат далёких – внегалактических – объектов.

Насколько сильно такое влияние, попытались оценить специалисты из Астрокосмического центра Физического института им. Лебедева и Института космических исследований РАН, Московского физико-технического института, а также Института астрофизики Общества им. Макса Планка.

Астрофизика имеет дело с несколькими базовыми параметрами космических объектов – это собственные движения, угловые размеры и тригонометрические параллаксы (видимые смещения) небесных тел, в том числе звезд. Их определяют методами астрометрии, и для того, чтобы найти, 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 служат идеальными опорными, или реперными, точками, поскольку их угловое движение очень мало – порядка одной сотой угловой миллисекунды (для сравнения: диаметр Луны – чуть более 31 угловой минуты).

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 массивного тела, он слегка отклоняется его гравитацией. Это отклонение обычно очень мало, однако если на пути встречается много таких объектов, то оно может стать весьма значительным. 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 реперным, на которых строятся системы 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 Института космических исследований (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 неба, на которые нанесены средние смещения далёких источников относительно их истинного положения.

«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».

Исследователи изучили свойства такого гравитационного шума, а также предложили математические методы, которые помогут частично компенсировать влияние эффекта «блуждания» координат. Результаты работы опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.