[论文解读] Gaia Data Release 2. The astrometric solution

L. Lindegren, J. Hernández+88 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 33被引用 891

一句话总结

本论文提出了盖亚数据释放2（Gaia DR2）的天体测量解，利用盖亚任务前22个月的3200亿个CCD中心位置测量值，为13亿颗天体提供了五参数天体测量解（位置、视差、自行）。对于明亮恒星（G < 14 等），该解的中位不确定度达到0.04毫角秒（mas）的视差和0.05毫角秒每年（mas yr⁻¹）的自行，系统误差低于0.1毫角秒，全局视差零点偏移约为-0.03毫角秒。

ABSTRACT

Gaia Data Release 2 (Gaia DR2) contains results for 1693 million sources in the magnitude range 3 to 21 based on observations collected by the European Space Agency Gaia satellite during the first 22 months of its operational phase. We describe the input data, models, and processing used for the astrometric content of Gaia DR2, and the validation of these results performed within the astrometry task. Some 320 billion centroid positions from the pre-processed astrometric CCD observations were used to estimate the five astrometric parameters (positions, parallaxes, and proper motions) for 1332 million sources, and approximate positions at the reference epoch J2015.5 for an additional 361 million mostly faint sources. Special validation solutions were used to characterise the random and systematic errors in parallax and proper motion. For the sources with five-parameter astrometric solutions, the median uncertainty in parallax and position at the reference epoch J2015.5 is about 0.04 mas for bright (G&lt;14 mag) sources, 0.1 mas at G=17 mag, and 0.7 mas at G=20 mag. In the proper motion components the corresponding uncertainties are 0.05, 0.2, and 1.2 mas/yr, respectively. The optical reference frame defined by Gaia DR2 is aligned with ICRS and is non-rotating with respect to the quasars to within 0.15 mas/yr. From the quasars and validation solutions we estimate that systematics in the parallaxes depending on position, magnitude, and colour are generally below 0.1 mas, but the parallaxes are on the whole too small by about 0.03 mas. Significant spatial correlations of up to 0.04 mas in parallax and 0.07 mas/yr in proper motion are seen on small (&lt;1 deg) and intermediate (20 deg) angular scales. Important statistics and information for the users of the Gaia DR2 astrometry are given in the appendices.

研究动机与目标

• 利用盖亚任务前22个月的3200亿个CCD测量值，开发并验证Gaia DR2的高精度天体测量解。
• 估算并表征全天区、星等和颜色范围内视差与自行的系统误差和随机误差。
• 通过类星体将盖亚光学参考系与国际天球参考系统（ICRS）关联，确保对齐精度在0.15毫角秒每年以内。
• 识别并量化天体测量解中的系统偏差，特别是视差零点偏移和空间相关性。
• 通过全面验证和附录，为用户提供准确的误差估计和数据质量指标。

提出的方法

• 对1600万颗选定天体应用天体测量全局迭代解（AGIS），使用约1%的输入数据，以确定卫星姿态和CCD校准参数。
• 主解通过类星体与河外ICRS关联，确保获得非旋转且与ICRS对齐的光学参考系。
• 采用两步处理流程：首先计算主解；其次将该解应用于全部16.93亿颗天体，以推导其天体测量参数。
• 设计了特殊验证解，以隔离并测量视差和自行中的系统误差，包括分场解和后期/早期解的对比。
• 检测与天体的交叉匹配使用了一种先进的聚类算法，可考虑线性运动，从而在密集场和高自行源中提升性能。
• 正式误差已针对此前低估误差（尤其是G < 13等的亮源）的自由度（DOF）错误进行了修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 在G = 3至G = 21的星等范围内，Gaia DR2天体测量解的精度和准确度如何？
• RQ2 视差和自行的系统误差如何随天体位置、星等和颜色变化？
• RQ3 盖亚光学参考系与ICRS的对齐程度如何？其相对于类星体的旋转速率是多少？
• RQ4 视差零点偏移的星等和空间结构如何？它如何影响天体测量解？
• RQ5 数据质量问题（如虚假检测和交叉匹配错误）对最终天体测量结果的影响有多大？

主要发现

• 对于明亮天体（G < 14 等），中位视差不确定度为0.04毫角秒，G = 17 等时上升至0.1毫角秒，G = 20 等时为0.7毫角秒。
• 对于G < 14 等的天体，中位自行不确定度为0.05毫角秒每年，G = 17 等时上升至0.2毫角秒每年，G = 20 等时为1.2毫角秒每年。
• 盖亚光学参考系与ICRS对齐，且相对于类星体的非旋转性在0.15毫角秒每年以内。
• 视差的系统误差（取决于位置、星等和颜色）通常低于0.1毫角秒，但整体视差零点偏移过小约0.03毫角秒。
• 在小于1°和约20°的角尺度上，视差和自行分别观测到高达0.04毫角秒和0.07毫角秒每年的空间相关性。
• 由于自由度（DOF）错误，亮源（G < 13 等）的正式误差曾被低估，已在盖亚档案中修正，但暗弱类星体仍存在8%至12%的低估。