[论文解读] Astrometric radial velocities. I. Non-spectroscopic methods for measuring stellar radial velocity

Dainis Dravins, L. Lindegren+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 25

一句话总结

本文提出了一种基于高精度天体测量的非光谱方法来测量恒星视向速度，完全独立于光谱特征。它分析了三种技术——视差变化、自行变化和运动星团几何法，证明利用运动星团法在现有数据下可实现亚千米每秒的精度，从而在无需光谱学的情况下实现精确的视向速度测定。

ABSTRACT

High-accuracy astrometry permits the determination of not only stellar tangential motion, but also the component along the line-of-sight. Such non-spectroscopic (i.e. astrometric) radial velocities are independent of stellar atmospheric dynamics, spectral complexity and variability, as well as of gravitational redshift. Three methods are analysed: (1) changing annual parallax, (2) changing proper motion and (3) changing angular extent of a moving group of stars. All three have significant potential in planned astrometric projects. Current accuracies are still inadequate for the first method, while the second is marginally feasible and is here applied to 16 stars. The third method reaches high accuracy (<1 km/s) already with present data, although for some clusters an accuracy limit is set by uncertainties in the cluster expansion rate.

研究动机与目标

• 开发不依赖光谱线位移的天体测量方法来测量视向速度。
• 克服由恒星大气动力学、光谱复杂性和变异性引起的光谱视向速度测量的局限性。
• 评估利用当前和未来天体测量数据的三种非光谱天体测量方法的可行性与精度。
• 证明运动星团法可利用现有Hipparcos数据实现亚千米每秒的精度。
• 在星团动力学中识别可观测与不可观测的视向速度场分量，以避免系统性偏差。

提出的方法

• 利用Hipparcos卫星提供的高精度天体测量数据，通过几何投影效应推导视向速度。
• 通过建模星团的表观角膨胀来应用运动星团法，推断其空间速度及径向分量。
• 采用最大似然框架拟合天体测量数据并估计星团参数，包括视向速度。
• 推导出基于视差变化（dπ/dt）和自行变化（dμ/dt）的视向速度数学模型，同时考虑观测不确定性。
• 分析速度场张量T，以区分可观测与不可观测分量，识别各向同性膨胀为不可观测的系统性偏差。
• 使用条件 (I - r r′)Tv r = 0 确定哪些速度场分量可由天体测量约束，得出结论：T的八个分量是可观测的。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用天体测量数据，完全独立于光谱学，实现高精度的视向速度测量？
• RQ2 基于视差和自行变化的非光谱视向速度方法在理论和实践上的精度极限是什么？
• RQ3 星团速度场在多大程度上可由天体测量观测约束？其中哪些分量是可观测的？
• RQ4 星团的各向同性膨胀如何影响推导出的视向速度？这种偏差能否被校正？
• RQ5 利用当前天体测量数据，运动星团法的可实现精度是多少？与光谱测量相比如何？

主要发现

• 运动星团法利用现有Hipparcos数据可实现优于1 km s⁻¹的视向速度精度，具有天体物理学价值。
• 视差变化法目前受限于天体测量精度，其精度不足以实现有意义的视向速度测定。
• 自行变化法虽勉强可行，但尚未具备与光谱学或运动星团法竞争的能力。
• 各向同性膨胀（T = Iκ）是速度场中唯一的不可观测分量，引入视向速度偏差 δvr = -bκ。
• 由各向同性膨胀引起的视向速度偏差与距离b和膨胀速率κ成正比，其中κ⁻¹代表星团的膨胀年龄。
• 速度场张量T的八个独立分量可由天体测量观测到，从而可在不引入各向同性膨胀偏差的前提下实现星团的完整运动学建模。