Astrometria

Ilustração do uso de interferometria na faixa de comprimento de onda óptica para determinar posições precisas de estrelas. Cortesia NASA/JPL-Caltech

Astrometria é um ramo da astronomia que envolve medições precisas das posições e movimentos de estrelas e outros corpos celestes. Ele fornece a cinemática e a origem física do Sistema Solar e desta galáxia, a Via Láctea.

História

Arte conceitual para a sonda TAU, um estudo da era dos anos 80 que teria usado uma sonda precursora interestelar para expandir a linha de base para o cálculo da paralaxe estelar em apoio à Astrometria

A história da astrometria está ligada à história dos catálogos de estrelas, que deram aos astrônomos pontos de referência para objetos no céu para que pudessem rastrear seus movimentos. Isso pode ser datado de Hiparco, que por volta de 190 aC usou o catálogo de seus predecessores Timócaris e Aristilo para descobrir a precessão da Terra. Ao fazer isso, ele também desenvolveu a escala de brilho ainda em uso hoje. Hiparco compilou um catálogo com pelo menos 850 estrelas e suas posições. O sucessor de Hiparco, Ptolomeu, incluiu um catálogo de 1.022 estrelas em sua obra, o Almagesto, fornecendo sua localização, coordenadas e brilho.

No século 10, Abd al-Rahman al-Sufi realizou observações sobre as estrelas e descreveu suas posições, magnitudes e cores das estrelas; além disso, ele forneceu desenhos para cada constelação, que são descritos em seu Livro das Estrelas Fixas. Ibn Yunus observou mais de 10.000 entradas para a posição do Sol por muitos anos usando um grande astrolábio com um diâmetro de quase 1,4 metros. Suas observações sobre eclipses ainda foram usadas séculos depois nas investigações de Simon Newcomb sobre o movimento da Lua, enquanto suas outras observações dos movimentos dos planetas Júpiter e Saturno inspiraram Laplace em Obliquidade da Eclíptica e Desigualdades de Júpiter e Saturno. No século XV, o astrônomo timúrida Ulugh Beg compilou o Zij-i-Sultani, no qual catalogou 1.019 estrelas. Como os catálogos anteriores de Hiparco e Ptolomeu, estima-se que o catálogo de Ulugh Beg tenha sido preciso em aproximadamente 20 minutos de arco.

No século 16, Tycho Brahe usou instrumentos aprimorados, incluindo grandes instrumentos murais, para medir as posições das estrelas com mais precisão do que antes, com uma precisão de 15 a 35 segundos de arco. Taqi al-Din mediu a ascensão reta das estrelas no Observatório de Constantinopla de Taqi ad-Din usando o "relógio de observação" Ele inventou. Quando os telescópios se tornaram comuns, definir círculos acelerou as medições

James Bradley tentou pela primeira vez medir paralaxes estelares em 1729. O movimento estelar provou ser muito insignificante para seu telescópio, mas ele descobriu a aberração da luz e a nutação do eixo da Terra. Sua catalogação de 3.222 estrelas foi refinada em 1807 por Friedrich Bessel, o pai da astrometria moderna. Ele fez a primeira medição da paralaxe estelar: 0,3 segundos de arco para a estrela binária 61 Cygni.

Sendo muito difícil de medir, apenas cerca de 60 paralaxes estelares foram obtidas até o final do século 19, principalmente pelo uso do micrômetro filar. Astrógrafos usando placas fotográficas astronômicas aceleraram o processo no início do século XX. Máquinas automatizadas de medição de placas e tecnologia de computador mais sofisticada da década de 1960 permitiram uma compilação mais eficiente de catálogos de estrelas. Iniciado no final do século 19, o projeto Carte du Ciel para melhorar o mapeamento estelar não pôde ser concluído, mas tornou a fotografia uma técnica comum para a astrometria. Na década de 1980, os dispositivos de carga acoplada (CCDs) substituíram as chapas fotográficas e reduziram as incertezas ópticas para um miliarcosegundo. Essa tecnologia tornou a astrometria mais barata, abrindo o campo para um público amador.

Em 1989, o satélite Hipparcos da Agência Espacial Européia colocou a astrometria em órbita, onde poderia ser menos afetado por forças mecânicas da Terra e distorções ópticas de sua atmosfera. Operado de 1989 a 1993, o Hipparcos mediu ângulos grandes e pequenos no céu com uma precisão muito maior do que qualquer telescópio óptico anterior. Durante sua execução de 4 anos, as posições, paralaxes e movimentos próprios de 118.218 estrelas foram determinados com um grau de precisão sem precedentes. Um novo "catálogo Tycho" reuniu um banco de dados de 1.058.332 estrelas dentro de 20-30 mas (miliarcosegundos). Catálogos adicionais foram compilados para as 23.882 estrelas duplas e múltiplas e 11.597 estrelas variáveis também analisadas durante a missão Hipparcos. Em 2013, o satélite Gaia foi lançado e melhorou a precisão do Hipparcos. A precisão foi melhorada por um fator de 100 e permitiu o mapeamento de um bilhão de estrelas. Hoje, o catálogo mais usado é o USNO-B1.0, um catálogo de todo o céu que rastreia movimentos próprios, posições, magnitudes e outras características de mais de um bilhão de objetos estelares. Durante os últimos 50 anos, 7.435 chapas de câmeras Schmidt foram usadas para completar vários levantamentos do céu que tornam os dados do USNO-B1.0 precisos em 0,2 segundos de arco.

Aplicativos

Diagrama mostrando como um objeto menor (como um planeta extrasolar) orbitando um objeto maior (como uma estrela) poderia produzir mudanças na posição e velocidade do último enquanto orbitam seu centro comum de massa (cruz vermelha).

Movimento de barycenter do sistema solar em relação ao Sol.

Além da função fundamental de fornecer aos astrônomos um referencial para relatar suas observações, a astrometria também é fundamental para campos como mecânica celeste, dinâmica estelar e astronomia galáctica. Na astronomia observacional, as técnicas astrométricas ajudam a identificar objetos estelares por seus movimentos únicos. É fundamental para manter o tempo, pois o UTC é essencialmente o tempo atômico sincronizado com a rotação da Terra por meio de observações astronômicas exatas. A astrometria é um passo importante na escada de distância cósmica porque estabelece estimativas de distância de paralaxe para estrelas na Via Láctea.

A astrometria também tem sido usada para apoiar reivindicações de detecção de planetas extra-solares, medindo o deslocamento que os planetas propostos causam na posição aparente de sua estrela-mãe no céu, devido à sua órbita mútua em torno do centro de massa do sistema. A astrometria é mais precisa em missões espaciais que não são afetadas pelos efeitos de distorção da atmosfera da Terra. A missão de interferometria espacial planejada da NASA (SIM PlanetQuest) (agora cancelada) era para utilizar técnicas astrométricas para detectar planetas terrestres orbitando cerca de 200 estrelas do tipo solar mais próximas. A Missão Gaia da Agência Espacial Europeia, lançada em 2013, aplica técnicas astrométricas em seu censo estelar. Além da detecção de exoplanetas, também pode ser usado para determinar sua massa.

Medições astrométricas são usadas por astrofísicos para restringir certos modelos na mecânica celeste. Ao medir as velocidades dos pulsares, é possível limitar a assimetria das explosões de supernovas. Além disso, os resultados astrométricos são usados para determinar a distribuição da matéria escura na galáxia.

Os astrônomos usam técnicas astrométricas para rastrear objetos próximos da Terra. A astrometria é responsável pela detecção de muitos objetos recordes do Sistema Solar. Para encontrar tais objetos astrometricamente, os astrônomos usam telescópios para pesquisar o céu e câmeras de grande área para tirar fotos em vários intervalos determinados. Ao estudar essas imagens, eles podem detectar objetos do Sistema Solar por seus movimentos em relação às estrelas de fundo, que permanecem fixas. Uma vez que um movimento por unidade de tempo é observado, os astrônomos compensam a paralaxe causada pelo movimento da Terra durante este tempo e a distância heliocêntrica para este objeto é calculada. Usando esta distância e outras fotografias, mais informações sobre o objeto, incluindo seus elementos orbitais, podem ser obtidas.

50000 Quaoar e 90377 Sedna são dois objetos do Sistema Solar descobertos dessa maneira por Michael E. Brown e outros da Caltech usando o telescópio Samuel Oschin do Observatório Palomar de 48 polegadas (1,2 m) e o grande Palomar-Quest -área CCD. A capacidade dos astrônomos de rastrear as posições e movimentos de tais corpos celestes é crucial para a compreensão do Sistema Solar e seu passado, presente e futuro inter-relacionados com outros no Universo.

Estatísticas

Um aspecto fundamental da astrometria é a correção de erros. Vários fatores introduzem erros na medição das posições estelares, incluindo condições atmosféricas, imperfeições nos instrumentos e erros do observador ou dos instrumentos de medição. Muitos desses erros podem ser reduzidos por várias técnicas, como melhorias nos instrumentos e compensações dos dados. Os resultados são então analisados usando métodos estatísticos para calcular estimativas de dados e intervalos de erro.

Programas de computador

• XParallax viu-se (Aplicação gratuita para Windows)
• Astrometria (Aplicação para Windows)
• Astrometria.net (Astrometria cega on-line)