相對論天文參考系，在相對論框架下的天文參考系。
基本介紹
- 中文名：相對論天文參考系
- 所屬學科：天文
解釋
牛頓力學中時間和空間的性質與物質及其運動無關。這個世界即使沒有物質時間仍在流逝，空間仍然存在。I.牛頓還認為存在一個絕對參考系。相對於絕對參考系作勻速直線運動的系統是慣性系，在慣性系中牛頓運動定律成立，而所有的慣性系有相同的時間和空間。在牛頓力學占統治地位的時代，天文學家力圖建立的參考系是慣性系，用地球的自轉或公轉運動來實現的天文時間尺度是牛頓的絕對時間。狹義相對論認為時間和空間相互關聯，組成了一個四維的時空。
在不同慣性系裡的觀測者測量一個時鐘和一把尺子，會發現鐘速和尺長都不相同，也就是說四維時空在不同的慣性系裡分離成不同的三維空間和一維時間。這說明時間和空間與物質的運動有關，但四維時空的性質仍然與物質的存在及其分布無關。狹義相對論仍然承認慣性系的特殊地位，物理定律只有在慣性系中才成立。廣義相對論認為時空不能脫離物質而存在，物質的分布及其運動狀態造成了時空的彎曲，牛頓的引力概念為時空的幾何彎曲效應所代替。廣義相對論取消了慣性系的特殊地位，物理定律在所有的參考系中都成立。
客觀的物理世界不存在全局的慣性系。自20世紀60年代以來，越來越多的精密天文觀測證明廣義相對論與觀測相符。這樣天文學家必須在廣義相對論的理論框架中定義天文參考系和天文時間尺度。廣義相對論允許選擇任意的坐標系，而且坐標通常不具有明確的物理或天文意義，為了比較資料處理和動力學計算的結果，天文學家必須對四維時空參考系作出明確的選擇。國際天文學聯合會(IAU)1991年的A4號決議對太陽系質心參考系(BRS)和地心參考系(GRS)作了初步的定義，規定兩者的坐標軸相對遠處的河外天體無整體的旋轉。這種規定有利於將以動力學參考系和以河外射電源的位置為基礎的協定天球參考系相聯繫。參考系的選擇，時間坐標t和空間坐標xμ及xν(μ,ν＝1,2,3)的定義在相對論中用時空度規ds2=g00c2dt2+2g0μcdtdxμ+gμνdxμdxν的形式來確定。經過近十年的研究和討論，IAU2000年決議B1.3對BRS和GRS以及相關的時間尺度做出明確的定義。
在BRS中度規係數由一個標量勢w和一個有三個分量的矢量勢wμ決定：g00＝ −1+2w/c2–2w2/c4g0μ＝ −4wμ/c3,(μ＝1,2,3)gμν＝δμν(1+2w/c2)(μ,ν＝1,2,3)決議中同時給出標量勢和矢量勢的具體定義。w包括太陽系各天體的牛頓引力勢和一些相對論項，wμ完全是相對論項，來源於各天體的角動量。同年的決議B1.5給出它們在誤差不大於5×10−18時的詳細表達式。
決議B1.3給出的GRS中的度規，在形式上也由一個標量勢w和一個矢量勢wμ決定，它們可分解成：地球的勢和地球以外天體的潮汐勢兩部分。B1.3還給出BRS和GRS兩個參考系之間四維時空坐標變換的具體表達式。一個鐘記錄的時間是這個鐘的原時。處於不同地點或不同運動狀態的鐘的原時各不相同。天文工作要求在一個參考系裡採用一個統一的時間，稱為坐標時。IAU對BRS和GRS中的坐標時所做的明確定義就是決議B1.3給出的度規中的時間變數。決議定義的BRS和GRS中的坐標時分別稱為質心坐標時(TCB)和地心坐標時(TCG)。TCB和TCG的差存在長期漂移和周期變化。
它們的平均鐘速之比為TCG/TCB=1－LC，式中LC＝1.480 826 867 41×10−8。廣義相對論框架中用地面上的原子鐘記錄綜合而得的時間稱為國際原子時(TAI)。它也可看作是地球參考系(TRS)里的坐標時。TAI和生活中所用的時間有密切的聯繫，可用作觀測用的天體視地心曆表的自變數。出於歷史的原因，IAU定義的視地心曆表的自變數是地球時(TT)。它和TAI的關係是TT＝TAI+32.184秒。它和TCG的鐘速之比是一個常數TT/TCG=1－LG，式中LG=6.969 290 134×10−10。
總起來說，考慮到當前GRS和TRS用同樣的坐標時，TCG、TT和TAI都是這兩個參考系的坐標時，TCG是由度規標準形式決定的坐標時，TT用於視地心曆表，TAI則在地面上使用。同樣，出於歷史的原因，美國國家航空航天局噴氣推進實驗室(JPL)編制的太陽系天體歷表雖然採用BRS，卻沒有用TCB為時間變數，用的是質心力學時(TDB)。它和TCB的鐘速之比是一個固定的常數，TDB/TCB＝1－LB，這裡1－LB＝(1－LC)(1－LG)，LB＝1.550 519 767 72×10−8。TDB的優點是它和TT之間幾乎沒有長期漂移。兩者之差只有周期的變化。
