相对论天文参考系的回顾与展望

国际天文联合会(IAU)在1991年和2000年分别通过了关于相对论天文参考系的重要决议。特别是2000年的决议,以两个互相等价的相对论N体多参考系理论:Brumberg-Kopeikin体系和Damour-Soffel-Xu体系为基础,构造了严格且自洽的一阶后牛顿(1PN)的局部参考系和全局参考系,并给出了相应的坐标变换规则。IAU2000决议发表后的10多年里,已经开始应用在一些高精度的天体测量数据处理模型中,但是其工程化应用还没有得到广泛实现,特别是目前为止我国没有将其应用到具体的天文观测或者空间探测计划中。因此有必要对IAU的相对论天文参考系理论做一个系统的解读。首先介绍了IAU在1991年给出的一个简单的相对论参考系决议;随后在第3章和第4章详细讨论了Brumberg-Kopeikin理论和Damour-Soffel-Xu体系;接着,详细给出了IAU2000年大会关于相对论参考系的决议内容;最后,讨论了IAU2000决议的工程化应用、近10多年来的理论发展以及对未来的展望。     

广义相对论框架中的IAU时间尺度和参考系

简要地回顾和介绍了IAU时间尺度和参考系的历史和进展，其主要内容：（1）牛顿时空观和相对论时空观，（2）IAU各种时间尺度的历史演变和相互关系；（3）IAU的天文参考系，有关的最新决议,相对论框架下度规及其规范问题，四维时空中的空间1PN坐标变换，也介绍了一些有关工作，阐明了与IAU最新决议稍有不同的观点，指出目前IAU有关决议可能仍存在的某种程度上的不完善。     

2000年以来国际天文学联合会(IAU)关于基本天文学的决议及其应用

1991年以来,在国际天文学联合会(IAU)全体大会上,通过了一系列关于天文参考系、时间尺度和地球自转模型的决议,其目的是为了适应不断提高的天文观测精度。其中最重要的3次,分别是在1997年的京都,2000年的曼彻斯特和2006年的布拉格通过的IAU 1997,IAU 2000和IAU 2006决议,主要的变化包括:从与历元有关的动力学参考系到与历元无关的运动学参考系,从参考系的恒星实现到河外射电源实现,从春分点到无旋转原点,以及岁差-章动模型的改进。由于这些决议在参考系转换等方面引入了很多新概念和新方法,对教学、研究和应用都产生了不小的影响,对它们进行解读,澄清概念,规范使用是有必要的。首先介绍IAU关于时间尺度和天文参考系的重要决议,并重点介绍IAU 2000和2006的每一条决议:然后详细介绍其应用:包括时间系统,国际天球参考系和岁差-章动模型,并和对应的旧系统进行比较;最后对这些决议的使用提出建议。     

一种GCRS下Λ型双向频率传输的高精度相对论模型

高精度时频信号传递是现代物理学、天文学和计量科学所需要的重要技术.要实现空间高精度时频传递必须考虑相对论效应的影响.在IAU(国际天文学联合会)2000决议提出的相对论天文参考架下,结合当今国内外微波和激光链路传递技术,考察了在信号传递过程中涉及到的相对论效应,在地心天球坐标系下提出了超高精度的相对论理论模型(1/c~4量级),可用于未来高精度频率传递试验.并在该频率不确定度的前提下结合实例对定轨精度、信号转发间隔等技术指标给出了约束条件,对于国内未来空间超高精度时频传递以及开展相关的科研任务具有较重要的参考和应用价值.     

一种GCRS下Lambda型双向频率传输的高精度相对论模型

高精度时频信号传递是现代物理学、天文学和计量科学所需要的重要技术. 要实现空间高精度时频传递必须考虑相对论效应的影响. 在IAU(国际天文学联合会)2000决议提出的相对论天文参考架下, 结合当今国内外微波和激光链路传递技术, 考察了在信号传递过程中涉及到的相对论效应, 在地心天球坐标系下提出了超高精度的相对论理论模型($1/c^4$量级), 可用于未来高精度频率传递试验. 并在该频率不确定度的前提下结合实例对定轨精度、信号转发间隔等技术指标给出了约束条件, 对于国内未来空间超高精度时频传递以及开展相关的科研任务具有较重要的参考和应用价值.     

第24届IAU大会决议和天体测量的前沿课题

阐明了IAU决议对天文学发展的作用，并扼要地介绍了第24届IAU大会通过的三项决议，简要评述了2000－2003年基本天体测量的前沿课题，并对我国基本天体测量未来的优先发展领域提出了几点建议。     

在后牛顿引力理论(PPN形式)中引力常数变化对地球自转产生的效应

介绍和论述了在后牛顿引力理论(PPN形式)中在优越参考系和非优越参考系中经过参数化后引力常数变化对地球自转产生的效应,其中特别重点介绍了年周期变化的效应。此外也将理论结果同观测结果相对比。     

天文常数研究的进展——IAU 2009天文常数系统

回顾了1900年以来LAU采用天文常数系统的简况,以及一些天文常数之间的数学关系,并描述了以前每次改变天文常数系统的主要因为.介绍了1991年以来IAU在天文常数方面的工作:包括IAU天文常数工作组和天文常数最佳估计值的情况.叙述了IAU 2009年天文常数系统替代IAU 1976天文常数系统的因为:随着人类对太阳系的探测,获得新的天文常数测定值;1991年以来在相对论框架下BCRS和GCRS的使用;P03岁差模型和MHB2000章动模型的采用.比较了IAU2009和1976天文常数系统的差异.最后介绍中国在天文常数方面工作的情况和今后工作的建议.     

天文地球动力学中的相对论效应

天文地球动力学利用空间与地面观测手段 ,监测和研究地球整体与各圈层的物质运动以及它们间的相互作用 ,这都离不开广义相对论涉及的时间与空间。随着空间对地观测精度的提高 ,为了充分利用高精度观测提供的信息 ,在天文地球动力学的研究中必须考虑相对论效应。所涉及的相对论效应包括 :( 1 )相对论参考系的建立 ,( 2 )在恰当的参考系中对观测者和被观测对象的相对论运动方程 (平动和自转 )的描述 ,( 3 )观测者和被观测对象间的电磁信号传播 ,( 4 )依赖于坐标选择的结果与具有物理意义的可观测量间的转换 ,( 5)某些基本概念与定义在广义相对论框架下的重新确认。本文对天文地球动力学中的这些相对论效应作了简要的评述。     

新参考系的引入对天体测量学的影响

由于观测、参考架、模型、时间尺度精度的不断提高和完善，国际天球参考系(ICRS)被引入使用，IAU2000年大会决定从2003年起采用新的天球中介极(CIP)、新的天球中介原点(CIO)、新的岁差一章动模型和新的UTI定义等，并定义了新的中介的运动参考架，由此给天体测量学带来很大的影响，天体测量学的内容和实践发生了许多重要的变化。据此，对天体测量学的术语、概念和定义的变化作了描述，并讨论了变化的原因和对天体测量学的影响。新的一套天体测量理论和方法正在变更之中，我们应及时跟上这个领域的发展步伐。     

二阶后牛顿光线方程

近来相继提出一系列的空间天体测量计划，要求考虑在多参考系中二阶后牛顿部分对光线传播的贡献，也就是说，必须讨论在最近完成的扩展的DSX体系下的二阶后牛顿(2PN)光线方程．DSX体系是在20世纪90年代初建立的，用来讨论对N个任意形状和组成、自转可变形物体的一套完整的一阶后牛顿(1PN)天体力学理论．在此建议采用迭代的方法来推导2PN光线方程．从度规和Christoffel记号出发推导太阳系中的2PN光线方程．当忽略掉更高阶的项时，2PN光线方程将回到在很多教科书中广泛出现的1PN光线方程．利用这套方程就可以计算太阳系的光线传播．     

IAU 2000和后IAU 2000岁差-章动模型中岁差量的二历元表达式

IAU第24届大会决议从2003年起采用IAU2000岁差－章动模型．IERS规范(2003)给出了上述岁差－章动模型中7个常用岁差量的单历元表达式；2003年，Capitaine等对上述模型进行了改进，改进后的新模型称为后IAU2000(post IAU2000)岁差一章动模型．在此基础上，分别得到了上述两种岁差一章动模型中相关岁差量的二历元表达式．应用到坐标变换中，该两种表达式与原模型的精度相当，在1800到2200年的时间范围内，分别达到～1毫角秒和～1微角秒．由于除展开阶数外所给出的岁差量表达式与IAU1976岁差模型具有相同的形式，因此为实际应用提供了便利．结果已用于中国天文年历的编算．     

天文地球动力学中的相对论效应

天文地球动力学利用空间与地面观测手段，监测和研究地球整体与各圈层的物质运动以及它们间的相互作用，这都离不开广义相对论及的时间与空间。随着空间对地观测精度的，为了充分利用高精度观测提供的信息，在天文地球动力学的研究中必须考虑相对论效应。所涉及的相对论效应包括：（1）相对论参考系的建立，（2）在恰当的参考系中对观测者和被观测对象的相对论运动方程（平动和自转）的描述，（3）观测者和被观测对象间的电磁信号传播，（4）依赖于坐标选择的结果与具有物理意义的可观测量的转换，（5）某些基本概念在定义在广义相对论框架下的重新确认。本文对天文地球动力学中的这些相对论效应作了简要的评述。     

序言

天文学和物理学的发展是息息相关的。从历史的角度来看 ,牛顿动力学体系和万有引力定律建立在天文观测和地面实验的基础上。牛顿动力学体系和万有引力定律在天体力学上的应用 ,到 1 9世纪上半叶海王星的预测 ( 1 845年 )和发现 ( 1 846年 )达到高潮。由于观测和天体力学轨道理论的发展 ,Ｌｅｖｅｒｒｉｅｒ于 1 859年发现了水星近日点的异常进动 ,这是第一个观测到的相对论性引力效应。一系列的实验和理论的进展 ,促成了爱因斯坦于 1 91 5年提出了 (广义 )相对论。对于白矮星 ,脉冲星 ,类星体 ,星系核、微波背景辐射及元素丰度等的观测证实…     

地球四极矩定义及参考系转换的探讨

文[1]对地球四极矩在太阳系质心参考系（BRS）中影响人造卫星运动的相对论效应作了仔细的研究，引入相对经模型轨道的厘米级上符合。本文发现，利用文[2]得到的结果与此有矛盾。经过研究，我们认为其原因在于文[2]定义的均匀极矩及其转换上存在缺陷，在实际应用中应考虑其局了性。本文还将文[2]的方法与相对论参考系的最新结果DSX理论进行了比较。     

中国天文学会学术会议(序号90):天体测量、天体力学和大地测量中的相对论问题(1989年8月1—6日,嵊泗)

中国天文学会天文地球动力学专业委员会,上海市天文学会和江苏省天文学会于1989年8月1—6日在浙江嵊泗联合举办了“天体测量,天体力学和大地测量中的相对论问题”(Relativity in Astrometry,Celestial Mechanics and Geodesy)研讨会。来自天体测量,天体力学,大地测量和天体物理领域的专家35人参加了会议。会议就相对论时空观,相对论参考系和相对论天体力学三个专题作了系统综述和讨论,并结合科研工作进展就VLBI,激光测距在测地工作中应用所需考虑的相     

脉冲星时间尺度及其TOA预报初步分析

在简述国际天文学会(IAU)定义的几种不同时间尺度的基础上,重点讨论脉冲星计时观测中时间坐标相对论转换问题。脉冲星计时观测资料分析应该参考地球时TT,并将TT转换为质心坐标时TCB或质心力学时TDB。基于IAU重新定义的TDB,讨论和比较了时间坐标转换的解析算法和利用太阳系天体历表的数值积分算法。分析了TCB和TDB对脉冲星自转参数测量的影响。最后,以毫秒脉冲星PSR B1855+09的计时模型为例,初步分析了脉冲星脉冲到达时间的预报问题。     

主章动常数和对它的天文实测

本文列举了最近以来,光学天文、VLBI和LLR等技术对主章动常数的测量结果,结果表明对国际天文学联合会(IAU)在1982年通过的1980 IAU章动理论应予以修正。文中强调了现代天文实测工作应该在地球模型和章动理论的研究中起到更大的作用;还讨论了在实际进行主章动常数测量工作时应该注意的一些问题。     

中子星内部中微子辐射的相对论修正

通过相对论平均场理论和相关的弱相互作用冷却理论,在有、无超子两种情况下的中子星物质中研究含相对论效应的中子星冷却性质,并且与非相对论情况进行对比分析.考虑到极微小尺度上的引力会偏离牛顿引力,引入引力修正效应.结果表明中微子辐射的相对论效应降低了中微子发射率、发光度以及星体的冷却速度.在考虑引力修正的无超子的中子星物质中,相对论效应所引起的星体冷却速度降幅最大,对于两倍太阳质量的传统物质中子星可达56%,而超子物质中降幅最小,约为38%.     

岁差模型研究的新进展——P03模型

简述了岁差P03模型提出的背景情况;指出IAU1976岁差模型的缺陷, IAU 2000A岁差和章动模型中虽有改进但仍不完善;对IAU2006岁差模型(即Capitaine提出的P03模型)作了介绍,并将其与其他岁差模型L77、B03和F03进行了比较;述及GCRS至ITRS的2种表达方法,基于春分点的岁差和章动旋转角方法和运动参考架CIO的X、Y、s的方法;给出了CIP和CIO位置确定的各种方法以及其精度;最后叙述了20世纪IAU采用的岁差一章动模型和IAU天文常数工作组的有关情况,给出了在惯性参考架中"非旋转原点"的运动.