依巴羅斯天文測量衛星

自天文學發展至今，仍有許多問題沒有 解決或是誤差極大。最根本的原因就是天體 的距離測量不夠準，衍生出其他測量或計算 出的數據 - 包括恆星大小、運動、動力學資 訊 - 也跟著出問題。所有專注於此的人都知 道，一旦距離的問題不解決，天文學的進展 勢必遲滯，甚至越錯越多。 基於這些考量，不同領域的天文學家擁 有的共識：取得更精準的恆星距離數值。依 巴羅斯計劃可以說是邁向精準宇宙的重要里 程碑。 依巴羅斯天文測量衛星全名 High Preci-s i o n P a r a l l a x C o l l e c t i n g S a t e l l i t e ，簡稱 Hipparcos ，是第一顆在太空中觀測恆星距離 和運動參數的天文衛星。依巴羅斯計劃是歐 洲天文總署在 1 9 8 0 年接下的計劃，衛星在 1989 年升空觀測，觀測時間從 1989 到 1993 年 共三年多，取回了許多高品質的資料：主要 是恆星的位置、自行、三角視差，另外還有 天體測量上所需的五個重要參數。 依巴羅斯衛星可以測得精準資料的原因 是：從它在太空中所在的位置可以觀測到整 個天球，扣除了大氣的擾動，加上儀器本身 的穩定性，使得依巴羅斯衛星可以測出兩個 不同方向極小的角度差，當然，測出的視差 角就很小，除此之外，作為銀河系外星系參 考系統的資料，其位置和自行是國際天文聯

依巴羅斯天文測量衛星

邱惠玲

國立臺灣師範大學　地球科學研究所

合會（簡稱 IAU）由無線電波源定出來的，所 以一般相信依巴羅斯衛星的系統誤差值可以 降到萬分之一到萬分之二角秒以下。不過由 於依巴羅斯計劃中觀測的恆星多達一百萬顆 以上，所有數據都必須一起在電腦中處理， 使得資料一直到 1 9 9 6 年 8 月才整理完畢， 1997 年資料集結成冊正式出版 - 依巴羅斯與 第谷星表（T h e H i p p a r c o s a n d T y c h o C a t a l o g u e s ）﹔ 結 合 第 谷 星 表 （ T y c h o Catalogues）和地面觀測資料在 2000 年二月 另外整理出版恆星總數兩百五十萬多顆的第 谷二星表（Tycho-2 Catalogues），提供學者 做更多的判斷和研究。 根據測定恆星位置、距離的需求，依巴 羅斯的設計是相當特別的，它並不是一個影 像衛星，由一個口徑 29 公分、焦距 140 公分 的史密特反射式望遠鏡為中心，其他裝備圍 繞著它。擁有兩個鏡面，彼此夾角 58 度，每 一個鏡面都是 1.9 度見方。它可以將兩個方向 的光線聚在一個焦平面上，同時測量兩個不 同的視野中恆星的角距。 依 巴 羅 斯 衛 星 故 意 設 計 讓 它 轉 動 得 很 慢，轉軸和太陽方向夾角 43 度，而且可以在 控制下緩慢而連續的改變。完整自轉一圈要 兩小時八分、進動週期 8 星期。這樣的設計 是為了讓每一個區域都掃到好幾次。當衛星 慢慢掃過天球的時候，恆星發出的光會通過

位於焦平面上的平行狹縫系統，使星光在經 狹縫時產生閃爍，然後光線再透過接收器。 不過因為接收器感光的面積不大，直徑只有 38 角秒，同一個時間只能追蹤同一顆星。望 遠鏡上面還有裝載著一個控制用電腦，只要 花二十秒就可以快速的把目標轉換到通過視 野的星星上。此外，因為第谷任務所需，還 裝 有 光 度 計 ， 可 以 得 到 星 體 的 B 和 V （Johnson B & V）兩種波段的星等。 這個天文觀測衛星不是影像衛星，我們 怎麼知道它量的東西對不對？準不準？依巴 羅 斯 衛 星 上 裝 載 著 兩 個 星 表 ， 依 照 目 標 分 成：依巴羅斯輸入星表（H i p p a r c o s I n p u t Catalogue）和第谷輸入星表（Tycho Input Catalogue）。各有負責確認和收集資料的工 作團隊，將地面觀測的資料彙整，輸入電腦 中，定義每顆目標星的依巴羅斯編號或是第 谷編號，與後來出版的星表中的編號是一致 的，觀測之後發現有一些是雙星系統，為了 資料的一致性和完整性，並沒有改變或增減 它們的編號，那我們就可以用這種如同星星 的身分證一般的 HIP 和 TYC 編號找到資料並 登錄下來。事實上，依巴羅斯衛星也是依照 依巴羅斯輸入星表和第谷輸入星表的資料在 運作的。 依巴羅斯輸入星表及第谷輸入星表對於 這顆衛星來說就像地圖一樣。在緩慢的轉動 中可以掃到一個帶狀區域的星星，再經由自 轉軸的進動和衛星公轉，掃完整個天球。當 目標星在其中一個視野出現時，衛星會載入 星表的資料，確認星星的身分和位置，正確 的 話 ， 則 由 剖 析 影 像 的 儀 器 （ I m a g e dissector）分析出剖面圖，再將所有資料傳回 地面的資料中心作為背景資訊。倘若測得的 星星和星表比對後發現目標錯誤，就會即時 的調整衛星。 第一個視野掃完的 20 分鐘後，同一顆星 會進入第二個視野，但是這時候主要不是記 下這顆星的亮度資訊，而是要知道它的位置 並和視野中的所有恆星比對位置。 繞了天球上一個大圓的區帶，衛星的轉 軸會以和太陽方向夾 43 度的角度改變指向再 重複一次，掃過另一個大圓區域，持續的進 行，得以連續定義出每顆星的相對位置，用 每秒鐘 24 kbit 的速度傳回地面。儘管轉軸方 向改變了，天空中相鄰的區域仍會有重複觀 測，讓每一個區域都能滴水不漏的觀測到， 也因為每一個帶狀區域中的恆星、每一個區 帶和區帶間的所有恆星都要互相比對位置， 所以一起處理完成星表共花了三年多。 [註]：角秒換算成一般的度 180 ° =648000 角秒，所以 1 角秒 =0.0002778 °

這個計劃升空的任務分成兩個：依巴羅 斯任務和第谷任務。升空後出版的星表也以 此作為命名，兩任務的重心有一些不同，挑 選目標星時也有點不同。 從上面的表可以清楚地看到，依巴羅斯 任務測量的精準度達 0.001 角秒，和第谷的 0. 025角秒比起來精確很多，這是因為依巴羅斯 任務重點是精確的定出 118218 顆星的亮度和 位置，也就是說，這些由各種不同天文領域 所挑選出的變星、雙星、電波星、 X 光星..等 的目標星所測出的值必須非常的精確，有助 於了解星體動力、星系動力、恆星物理、宇 宙距離和星際介質的特性。它的任務成就主 要在恆星三角視差、變星亮度以及雙星系統 中各星的位置。除了修正了原先的觀測資料 之外，這個任務也有新發現：它的觀測中確 認是變星或可能是變星的共有 11597 顆，其 中 8237 顆是新發現的，另外還發現了 2996 個 新的雙星系統。 在依巴羅斯衛星升空之前，天體的位置 和亮度主要由地面上的望遠鏡和干涉陣列觀 測，但是受到大氣擾動的影響，觀測上的精 確度一般只能到達 0.01 角秒。在亮度的觀測 上，大多數的觀測都沒有辦法準確到 0.01 星 等以下，較暗的星體也沒辦法觀測到，如果 很遙遠又非常接近的雙星就完全分不出來， 所以才會在解析的能力變好之後，又發現很 多新的雙星。 和依巴羅斯比起來，第谷任務的目標 星就多太多了。第谷任務主要是定出這一百 多萬顆星的位置跟亮度。一方面對主目標的 資料作對照，另一方面要測出星體的 B 和 V 星等：B 的極限星等到 12.2 等， V 的極限星 等在 11.5 等(註一)。這兩個任務中的恆星當 然是有重複的，但也不是依巴羅斯任務中的 恆星全部涵蓋在第谷任務裡面，我們可以用 圖一來看：第谷和依巴羅斯兩個星表中重複 的恆星只有 117130 顆，另外有 934907 顆星只 在第谷星表有， 6301 顆星只有依巴羅斯觀測 到，但放入表中的只有 2667 顆，在第谷星表 沒有這兩千多顆星是因為太暗了看不到，其 他是在某些原因下沒有取得資料的。所以第 谷 星 表 包 含 了 依 巴 羅 斯 百 分 之 九 十 九 的 恆 星，而非是原先預定的完全涵蓋。 依巴羅斯計劃在測距離上很有貢獻。測 距離時最常被使用的是造父型變星，由它的 光變曲線定出光度變化週期以後，可以決定 它本身的真正亮度，進而推算出它的距離， 早在 1920 年代就有人用它來估計宇宙的距離 和年齡。哈伯太空望遠鏡升空，觀測 M 1 0 0 的 時 候 ， 發 現 M 1 0 0 測 出 的 距 離 換 算 成 時 間，卻比原本大霹靂學說和恆星演化估計的 宇宙年齡老，跌碎滿地天文學家的眼鏡，一 直到依巴羅斯天文測量衛星升空之後，更精 確的測出造父變星的距離，才解決了問題。 除了改良以往的觀測數據之外，到底還 有什麼貢獻呢？目前可以從 ADS（The NASA Astrophysics Data System）網站上搜尋到以依 巴羅斯計劃作研究而發表的文章到 2001 年為 止已經有兩千四百多篇，另外只在學術期刊 上發表的相關論文有一千多篇。 ADS 網站是 美國太空暨航空總署提供的一個資料庫，提 供的連結範圍包括天文及天文物理、行星科 學 、 太 陽 物 理 、 儀 器 使 用 、 物 理 及 地 球 物

理…等種類，可以查詢到相關的期刊和論文 的摘要，並且連結到該期刊的網站，如果有 訂閱那個期刊的話，就可以直接閱讀電子期 刊的所有內容，也就是大部分的發表文章幾 乎都可以查詢到摘要資料，所以可以確信至 少有登錄的關於依巴羅斯之研究資料已經有 兩千多篇。 舉幾個例子來說：使用依巴羅斯 - 第谷 星表的自行、徑向速度與視差，德國和荷蘭 天文學者得到銀暈中金屬豐度比較低的恆星 有百分之十是同一個結構的，但在銀河系形 成時被分了開來。而更具震憾的是天文學家 由依巴羅斯星表的資料修正 HD 209458(依巴 羅斯編號 HIP 108859)的距離到 153 光年，從 它的運動算出是一個行星系統，並找出最大 那顆行星周期應該是3.52474 天，尋找太陽系 外行星系統又掀起一股熱潮。(註二) 依巴羅斯天文測量衛星的貢獻每每都是 先對天文學界來個大震盪，冠上個『一定是 依巴羅斯測錯』的罪名，爭論不休後才被承 認，例如「宇宙有多老」這種問題就是。有一 派天文學家藉由地面觀測資料，找出位在金 牛座的昴宿星團的距離以及星團裡面的恆星 光度、亮度與質量的關係，試圖從這些資料 了解我們的宇宙以及恆星演化、恆星年齡這 一類的訊息。當依巴羅斯資料出來以後，昴 宿 星 團 距 離 比 原 先 測 定 的 數 值 近 了 百 分 之 十，亮度暗了百分之二十！這麼大的差距， 對原先建立的理論簡直是大地震。在許多相 信與不相信的爭論中，理論要不要修正、怎 麼修正，勢必又要討論很久了。 我們也試著用依巴羅斯的資料做銀河的 動力和結構的關係。圖二是從依巴羅斯星表 找出相對誤差在百分之二十以內的恆星，並 搜尋第谷星表中的 B 和 V 的資料所繪出的星 色-星等圖。圖三是相對誤差在百分之二十以 內的恆星和太陽的距離關係。這兩張圖可以 看 出 太 陽 附 近 恆 星 的 分 佈 情 況 和 恆 星 的 演 化。 圖四和圖五是由國立台灣師範大學地球 科學系王浩全所發表的畢業論文取出的圖； 圖六是來自國立台灣師範大學地球科學研究 所溫杰勳碩士論文。從這張圖可以看見圖中 有一個明顯斜交的星體分佈帶，成因應該和 最初銀河系盤面恆星形成機制相異，藉此得 知恆星分布情形和銀河系動力的資訊。 從依巴羅斯計劃之後，緊接著還有幾個 計劃陸續接上來，大致如右表： ( 1 ) 雙 干 涉 可 見 光 天 文 測 量 衛 星 （ D I V A -D o u b l e I n t e r f e r o m e t e r f o r V i s u a l Astrometry）：本計劃隸屬於歐洲太空總 署。位置精確度 0.00015 角秒、自行的精 確度 0 . 0 0 0 2 5 角秒、三角視差精確度 0 . 0002 角秒，都比依巴羅斯天文測量衛星 精確，提供天文物理和宇宙學研究，目標 恆星包含不同光譜型的恆星、大質量和小 質量恆星、年老的星族二次矮星、銀河系 年輕盤面的星、變星和雙星。（可參考 http://www.aip.de./groups/DIVA/） (2)全星空天文測量繪圖探測號（FAME-

Full-sky Astrometric Mapping Explorer）：由 美國海軍天文台和美國太空暨航空總署合 作，測量銀河系附近四千萬顆星的位置、 運動及距離，預計西元 2004 年昇空後執

行任務五年。（http://aa.usno.navy.mil/ FAME/） (3)太空干涉計劃（SIM-Space Interferometry Mission）：屬於美國太空暨航空總署之 計劃，預計 2009 年昇空。利用光學干涉 原理測得恆星距離和位置，預計要定義出 所有恆星的資料幾百次，比依巴羅斯的八 十次精確，希望可以找到和地球相似的行 星。（http://sim.jpl.nasa.gov/whatis/index. html） ( 4 ) 天文物理全星空天文測量干涉（G A I A -Globale Astrometric Interferometer for Astrophysics）：屬於歐洲太空總署之計 劃，建立在依巴羅斯計劃的結果之上。目 的在測出恆星更精確的位置、運動，得到 恆星演化的資訊、銀河系的起源以及演化 歷史、結構…等，用來建立銀河系本身及 銀河系以外超過一百萬顆星的精確三度空 間星圖。（http://astro.estec.esa.nl/GAIA/） 從這些計劃中不難發現，我們正在一步 一步的往更精準的宇宙邁進，而依巴羅斯計 （表格修改自 http://www.eso.org/~abrown/space-astrometry.html） 劃所開啟的這扇窗，也展現了不同領域的天 文學者進一步研究的路。我們期待對於這個 未知的宇宙和世界，有更多過去、現在與未 來的認識。 註一：B 和 V 使用的是 Johnson B 和 Johnson V 的定義。使用 B 和 V 的濾鏡做不同波 段的觀測。 註二：相觀查詢資料可以在歐洲天文總署的 網頁中找到。

參考資料：

1. 傅學海等著，星星的故事，新新聞文化事 業股份有限公司， 2000 年 1 月 27 日初版 2.The Hipparcos and Tycho Catalogues Vol 1,

2,17 ， ESA Publications Division ， June 1997 3. 王浩全，國立台灣師範大學地球科學系大 學畢業論文 - 依據 Hipparcos 星表探討銀河 系之運動模式， June 1999 4. 溫杰勳，國立台灣師範大學地球科學系研 究所碩士論文 - 古德帶是否為環狀構造， Oct 2000 5.http://astro.estec.esa.nl/SA-general/Projects/ Hipparcos/further_more.html 6 . h t t p : / / w w w . e s o . o r g / ~ a b r o w n / s p a c e -astrometry.html 7.http://adswww.harvard.edu/