Hrvatski

Astrometrijski instrumenti

Priredio: dr.sc. Drago Špoljarić


Instrumente kojima određujemo položaje nebeskih tijela (nebeske koordinate), točno vrijeme, nepravilnost Zemljine rotacije, a također određujemo i koordinate stajališta (geografsku širinu i duljinu) kao i smjer prema nekoj točki na Zemlji (azimut) nazivamo astrometrijskim instrumentima.

U davno doba astronomi su određivali (mjerili) položaje nebeskih tijela (visinu i međusobni kutni razmak), vrijeme i položaj na Zemlji (mjesni meridijan) jednostavnim i nepreciznim instrumentima kao što su: gnomon, kvadrant, sunčani sat, sekstant, armilarna sfera i drugi. Neprijeporno je najstariji i najjednostavniji “astrometrijski instrument” gnomon – štap okomito zabijen u zemlju sa skalom na zemlji. Pomoću gnomona možemo odrediti doba dana mjerenjem duljine bačene sjene; smjer meridijana na Zemlji; geografsku širinu kao i nagib ekliptike. Prema nekim autorima najstariji pisani trag o mjerenju gnomonom (najjednostavnijom sunčanom urom) nalazimo u rukopisu Kineza Čin Pia iz 1100. godine prije Krista. U tom izvješću navode se izmjerena ljetna i zimska visina Sunca, a iz tih su podataka odredili i nagib ekliptike. Najpoznatiji, do danas sačuvan gnomon, je 35,5 m visok obelisk na Trgu svetog Petra u Rimu.

Gnomon.

Kvadrant je drevni instrument koji se sastoji od vertikalno postavljene plohe četvrtine kruga s podjelom (skalom) i s dva dioptra za viziranje. Pomoću tog instrumenta mjerene su visine nebeskih tijela i određivana vremena prolaza nebeskih tijela kroz vertikal ili meridijan. Zbog povećanja točnosti mjerenja, grade se kvadranti velikih dimenzija (znameniti Tycho Braheov veliki zidni kvadrant na opservatoriju Uranienborg). Davnašnji su zvjezdoznanci određivali vrijeme sunčanim urama. Antičke sunčane ure načinjene su prema jednostavnom principu gnomona, u kojega su duljina sjene (ovisna i o duljini štapa) i njezin smjer ovisili o trenutnom položaju Sunca na nebu, kao i o godišnjem dobu. Sunčane su ure u početku postavljane na istaknuto mjesto (trg) ili javnu zgradu (hram). Prve prenosive sunčane ure pojavile su se u Rimu oko 250. godine prije Krista. Epoha modernih sunčanih ura počinje polovicom 15. stoljeća, konstrukcijom ura s brojčanikom postavljenim paralelno s ravninom nebeskog ekvatora, a šiljkom (koji je obavljao zadaću gnomona) u smjeru nebeskog pola. Prema izvedbi možemo sunčane ure podijeliti na: horizontalne, vertikalne i ekvatorske. Tijekom tisućgodišnjeg razvoja, sunčane su ure poprimile različite oblike. Spomenimo samo neke: ekvatorske prstenaste, ure u obliku kutije, putničke ure (ašade), mnogostranične, prozorske ure i druge.

Braheov veliki zidni kvadrant.

Ekvatorska prstenasta ura.

Točnost astrometrijskih određivanja do 16. stoljeća nije bila visoka. Tek krajem 16. stoljeća Tycho Brahe postiže točnost mjerenja bolju od 2 lučne minute. U 17. stoljeću dolazi do usavršavanja astrometrijskih instrumenata primjenom astronomskog durbina, okularnog mikrometra i sata njihalice, a posebno izumom pasažnog instrumenta i meridijanskog kruga. Krajem 17. stoljeća osnovan je opservatorij u Greenwichu, na kojem su mjereni položaji i gibanja nebeskih tijela i sastavljane tablice i katalozi zvijezda. Konstrukcijom pomorskog sekstanta i kronometra u 18. stoljeću omogućeno je određivanje položaja broda i sigurna plovidba po oceanima. Krajem 18. i početkom 19. stoljeća postavljeni su temelji suvremene meridijanske astrometrije razvojem teorije meridijanskih instrumenata i povećanjem točnosti opažanja.

Današnji astronomi koordinate nebeskih tijela, točno vrijeme i koordinate stajališta određuju preciznim i vrlo sofisticiranim instrumentima (meridijanski i pasažni instrument, univerzalni instrument). Prema klasičnim podjelama astrometrijske instrumente dijelimo u tri grupe:

  • fundamentalne (meridijanski krug, veliki pasažni instrument, veliki vertikalni krug) i ekvatorske (ekvatorijal i astrograf),
  • astronomsko-geodetske ( univerzalni instrument, zenit-teleskop, pasažni instrument, astrolab), i
  • pomorsko-zrakoplovne instrumente (pomorski i zrakoplovni sekstant).

Fundamentalni astrometrijski instrumenti su najtočniji i trajno su postavljeni samo na nekoliko desetaka astronomskih opservatorija za kontinuirana određivanja točnoga vremena (nepravilnosti Zemljine rotacije) i/ili praćenja promjene širine (npr. Greenwich, Pulkovo, Washington, Cape Town, Dresden i dr.). Dimenzije tih instrumenata najčešće ne prelaze 2 m. Instrumenti većih dimenzija bili bi teži, a deformacije njihovih osovina znatne. To bi izazvalo veće pogreške mjerenja. Fundamentalne instrumente postavljamo u meridijan i pomoću njih indirektno određujemo nebeske ekvatorske koordinate nekoliko stotina zvijezda (apsolutna određivanja). Za izradu zvjezdanih kataloga koordinate zvijezda obično određujemo ekvatorskim instrumentima u odnosu na prije određene apsolutne koordinate odabranih zvijezda (relativna određivanja).

Meridijanski krug

Za razliku od fundamentalnih (meridijanskih), astronomsko-geodetski instrumenti su manjih dimenzija, neznatno slabije točnosti, a većina ih je prenosiva. Zbog svoje visoke preciznosti i portabilnosti služe za određivanja mjesnih ekvatorskih koordinata zvijezda (relativna određivanja), određivanja točnog vremena, određivanja geografskih koordinata stajališta, ali i u geodeziji za triangulaciju I. reda. Tako naprimjer, univerzalni instrument može poslužiti kao pasažni instrument, kao vertikalni krug, ili kao teodolit najviše točnosti u najpreciznijim geodetskim mjerenjima (mjerenjima horizontalnih i vertikalnih kutova, azimuta i zenitne daljine).

Pasažni instrument

Danjonov astrolab

Zenit-teleskop

Univerzalni instrument Wild T4

Na terenskim radovima u geodetskoj astronomiji koriste se mali prijenosni instrumenti, Zeiss Ni2 astrolab i elektronički teodolit Kern E2.

Zeiss Ni2 astrolab

Elektronički teodolit Kern E2

U pomorskoj i zrakoplovnoj orijentaciji i određivanju položaja danas više ne upotrebljavamo klasične pomorske i zrakoplovne instrumente (sekstante). Suvremeni su načini pozicioniranja na moru i u zraku, dakako i na zemlji, automatizirani, vrlo brzi i precizni (GPS – Global Positioning System). Primjena GPS tehnika u lokalnom i dakako u globalnom smislu, zbog svoje točnosti, portabilnosti, fleksibilnosti pri obavljanju mjerenja i znatno manjoj cijeni troškova izvođenja mjerenja, gustoći mreže nadgledanja velikih područja i drugo, ima danas uz optimalnu kombinaciju s laserskim i interferometrijskim mjerenjima svoju ulogu u suvremenoj astrometriji.

Pomorski sekstant

Zadnjih tridesetak godina, za potrebe radioastronoma, izgrađeni su veliki radio teleskopi. Naime, tehnika mikrovalne radio interferometrije, razvijena u radioastronomiji, omogućila je poboljšano proučavanje strukture i evolucije zvijezda i galaktika. Ubrzo je metoda dugobačisne interferometrije (VLBI–Very Long Baseline Interferometry) našla veliku primjenu i u geodeziji odnosno općenito u astrometriji. Astrometrijska mjerenja se istovremeno obavljaju na vrlo udaljenim mjestima na Zemlji, što im daje globalni karakter. VLBI radio teleskopi određuju zaostajanje signala od nekog svemirskog radio izvora (kvazar) u jednom teleskopu u odnosu na signal koji dolazi u drugi teleskop. Dakle, dva radioteleskopa istovremeno primaju (registriraju) radiovalove s nekog kvazara. Iz vremenskog zaostajanja pristiglih radiovalova do teleskopa, moguće je izračunati udaljenosti između radioteleskopa. Mjerenja su vrlo točna i međusobni relativni položaji teleskopa mogu biti određeni s točnošću od centimetara i većom na udaljenostima većim od 10000 km. Iz VLBI mjerenja znanstvenici mogu saznati više o kretanjima (pomicanjima) kontinenata, Zemljinoj rotaciji (vremenskoj skali UT1), kretanju polova (varijacijama geografske širine stajališta) kao i drugim multidisciplinarnim istraživanjima.

VLBI – interferometrija vrlo dugih baza

Nebeski referentni okvir (sustav, datum) određen je i definiran pomoću VLBI. Međunarodna astronomska unija (International Astronomical Union) prihvatila je nekoliko stotina izvangalaktičkih radioizvora (najčešće kvazara), određenih VLBI mjerenjima, kao definirajuće objekte internacionalnoga nebeskoga referentnog okvira. International Celestial Reference Frame (ICRF) je prostorno-fiksni okvir definiran (utemeljen) na visoko točnim radio-položajima izabranih izvangalaktičkih radio izvora. Položaji zvijezda u našoj galaktici vezani su sada na taj referentni nebeski okvir, koji je ujedno upotrebljen za mjerenje prostorne Zemljine orijentacije odnosno orijentacije terestričkog (Zemljinog) referentnog okvira.

Radio teleskop

Svemirska radio interferometrija

Astrometrijska VLBI mjerenja nezamjenjljivo unapređuju znanstvena proučavanja Zemljine dinamike – promjenjljivost Zemljine rotacije, kretanje Zemljine osi rotacije, geofizička proučavanja mehanizama potresa, i saznanja o obliku Zemljine kore, geomorfološka proučavanja i mnoge druge multidisciplinarne djelatnosti.

Satellite Laser Ranging (SLR) i Lunar Laser Ranging (LLR) su najpreciznije metode mjerenja udaljenosti između zemaljskih stajališta i satelita, odnosno zemaljskih stajališta i Mjeseca. Iz laserskih mjerenja moguće je određivati Zemljine orijentacijske parametre (kretanje pola i duljinu dana), vremenske varijacije koordinata geocentra, orbite satelita, efemeride i libraciju Mjeseca i drugo.

KSP SLR 75 cm teleskop

Današnja su optička, radarska, laserska astrometrijska opažanja automatizirana i visoko precizna, a pri mjerenju se koriste fotoćelije, CCD senzori, visoko precizni oscilatori, atomski satovi. Prikupljanje i distribucija podataka obavlja se i putem interneta u realnom vremenu, a obrađuju se vrlo snažnim računalima. Analiza i interpretacija dobivenih rezultata globalnog je i multidisciplinarnog karaktera.