上海天文台在CSST天体测量研究中取得新进展
近日，中国科学院上海天文台天体测量团队基于大规模模拟数据，系统评估了中国空间站巡天空间望远镜（CSST）与欧洲空间局Gaia卫星联合探测双星系统的能力。研究发现，结合两项任务的天体测量位置历元数据，能够有效提高双星轨道解算能力，尤其有利于长周期双星的轨道测定。相关研究成果发表于国际天文学期刊《天文与天体物理》（Astronomy&Astrophysics）。
双星系统是研究恒星形成与演化、测定恒星质量以及搜寻黑洞、中子星等致密天体的重要对象。在双星系统中，恒星受到伴星引力的影响，会围绕共同质心运动，并在天球上表现出微小的位置变化。通过高精度天体测量观测，可以探测这种轨道运动，进而确定双星的轨道参数，为测定伴星质量提供重要依据。然而，对于轨道周期较长的双星，单个巡天任务的观测往往只能覆盖部分轨道，难以准确解算轨道参数。
为评估CSST探测双星的能力，上海天文台天体测量团队建立了大规模模拟样本并对其进行模拟观测和解算。团队利用单星模型拟合结果、自行异常和观测时间分布等信息，结合机器学习筛选双星候选体，再对候选体进行轨道拟合，比较Gaia、CSST及两者联合观测的效果。
在测试样本中，团队筛选出的双星候选体样本，其中80.2%是模拟样本中的双星。团队分别对不同观测方案下的候选体开展轨道拟合。联合解算通过严格质量筛选的轨道解，其拟合周期与真实周期的对应关系更加集中（图1）。在各方案成功完成轨道拟合的真实双星中，满足进一步质量条件的比例从Gaia单独观测的6.76%提高至联合观测的10.46%。对于轨道周期超过15年的长周期双星，该比例由2.37%提高至6.78%，约为原来的2.9倍（图2）。这一优势主要得益于两项任务联合后更长的观测时间跨度。
图1.Gaia、CSST和联合观测下的模拟双星拟合轨道周期（纵轴）与真实周期（横轴）对比。虚线表示两者相等；橙色表示满足筛选条件的轨道解，蓝色表示仅通过模型比较条件的轨道解，灰色为其他拟合结果。
图2.在Gaia、CSST及联合解算中，成功拟合的模拟双星满足轨道解筛选条件的比例随真实轨道周期（左）及轨道周期与观测时间跨度之比（右）的变化。绿色为联合观测，蓝色为Gaia，橙色为CSST。
研究还比较了当前CSST巡天计划与三种理想化的均匀观测方案。模拟结果显示，即使保持相近的观测次数，将观测时间安排得更加均匀，也能增加满足质量条件的轨道解数量。这为未来针对双星候选体开展后续观测提供了参考。
论文第一作者、上海天文台博士研究生文尚宇介绍道：“我们通过模拟Gaia和CSST的历元观测，先筛选可能存在伴星的目标，再拟合双星轨道。研究发现，联合观测延长了时间跨度，有助于测定长周期双星的轨道，更均匀的观测时间分布也有助于获得可靠的轨道解。”
论文通讯作者、上海天文台廖石龙研究员表示：“对于长周期双星，足够长的观测时间覆盖十分重要。Gaia和CSST在不同时期开展高精度天体测量观测，能够形成互补。随着未来Gaia历元数据的发布及CSST观测数据的积累，有望获得更多可靠的长周期双星轨道，为恒星演化和致密天体研究提供重要数据支持。”
上海天文台天体测量团队基于CSST巡天观测策略，开展了CSST天体测量能力仿真评估，获得了十年观测仿真下恒星位置、自行与视差预计精度，并指出通过优化当前巡天策略能够实现CSST天体测量能力的有效提升。至此，团队已形成从CSST单星天体测量精度评估、与Gaia联合改善星表精度，到双星探测和轨道拟合等科学应用的系列研究，为未来CSST实测数据的科学利用奠定基础。
Gaia卫星已为大量恒星提供了高精度的位置、视差和自行测量。即将开展观测的CSST则具有更深的探测极限和10年的预期运行寿命，有望将高精度天体测量扩展到更暗的恒星。此前，意大利都灵天文台MarioGai研究员与上海天文台齐朝祥研究员等人的合作研究表明，将CSST观测与Gaia星表结合，可以将恒星的平均自行测量误差降低约3.6倍，并有效减缓星表位置精度随时间的下降。
论文其他作者还包括齐朝祥研究员、傅震森、彭喜衍、丁页、武琦琦、徐琦、孙迅、朱科宇和于涌等。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、上海市自然科学基金、中国载人航天工程空间科学研究项目以及中国科学院上海分院人才计划等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1051/0004-6361/202558478
相关研究：
Gaietal.(2022),ConsolidationoftheGaiacataloguewithChineseSpaceStationTelescopeastrometry.
https://doi.org/10.3389/fspas.2022.1002876
Fuetal.(2023),SimulationofCSST’sastrometriccapability.
https://doi.org/10.3389/fspas.2023.1146603
科学联系人
文尚宇：shangyuwen@shao.ac.cn
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