基于标准宇宙学模型的高精度相对论性天文参考系研究

The International Astronomical Union (IAU) defined the astrometric reference systems in relativistic frame in the IAU 2000 resolutions.But such astrometric reference systems adopted by the IAU resolutions postulate that spacetime is asymptotically-flat and the only gravitational field source is the matter of the solar system. The IAU 2000 astrometric reference systems completely ignore the presence of the huge distribution of mass in our Galaxy and the other visible matter of the entire universe; The IAU 2000 Astometric reference systems do not take into account the presence of the dark matter and dark energy which make up to 96% of the totally observed universe. Therefore, the background spacetime given by the standard cosmological model including the dark matter and dark energy is not asymptotically-flat at all；And the IAU 2000 reference systems do not give out parametrized post-Newtonian formalisms. Because of the above mentioned reasons, the present astrometric reference systems by IAU have already started can not meet the requests of more accurately astrometric projects. Based on the IAU 2000 resoltions, in the present proposal, we plan to build a set of highly precise-relativistic astrometric reference systems which include the influence of the Galactic gravitation, dark matter and dark energy. Furthermore, we extend the astrometric reference systems to globle ones for our Galaxy even for cosmology. In addition, we will extend them to parametrized post-Newtionian formalisms for including alternative gravitation theories . The results of this research can be uesed for data precess of highly precise astrometric projects in future, calculations in relativistic celestial mechanics, experiments of the element gravitational theory, measurements of the dark matter and dark energy, and tests of cosmological models.

国际天文联合会（IAU）2000年决议定义了广义相对论框架下的天文参考系。但是该参考系是建立在渐近平坦的时空背景中的，太阳系为唯一的引力源。IAU2000天文参考系完全忽略了太阳系所在的银河系以及宇宙中的其他可视物质的引力作用；该参考系没有考虑占宇宙构成96%的暗物质和暗能量的影响：标准宇宙学模型给出的背景引力场并非是渐近平坦的；IAU2000的度规也没有给出参数化后牛顿表达式。因此IAU现有的天文参考系已经开始不能适应更高精度天体测量计划的要求。本项目拟在IAU2000决议的基础上，建立包含银河系引力影响、暗物质和暗能量在内的高精度相对论天文参考系，并将其从太阳系扩展到银河系乃至宇宙学尺度上。此外，本项目还将把结果推广为包含多种引力理论的参数化后牛顿形式。本课题研究结果可用于未来高精度天体测量计划的资料处理、相对论天体力学计算、基本引力理论的验证、暗物质暗能量的测量以及宇宙学模型的检验。

国际天文联合会（IAU）在2000年于英国曼彻斯特举行了第24届大会，会议发表了关于相对论天文参考系的一系列新的决议 （简称IAU2000决议）。IAU2000相对论参考系决议是以一阶后牛顿（1PN）的相对论多体理论为基础（即Damour－Soffel－Xu和Brumberg－Kopekin体系）建立的运动学非旋转的多参考系理论。决议假定太阳系为孤立的引力系统，并定义局部和全局的参考系皆为运动学非旋转。决议发表以来，陆续用于高精度天体测量实验的数据处理，如激光测距实验、甚长基线干涉测量技术（VLBI）等，满足日益提高的测量技术的要求。. 不过，IAU2000相对论天文参考系的决议仍然存在一些不足之处。在决议发表前后，国际上很多学者进行不少扩展性的研究。这些缺点和不足包括：忽略了太阳系以外的所有引力体；假定时空渐近平坦；参考系只有两层；只有1PN近似，等等。本项目的主要研究内容即是根据天体测量技术的现实需要，对这些不足进行研究和修补，并将相对论天文参考系的理论应用到天体测量和空间技术的观测模型中。经过4年的研究，本项目取得良好的科学结果，发表了大量学术论文以及专著。其中主要有：1、建立了月心天球参考系并用于计算月球的旋转运动；2、在扩展的IAU2000相对论天文参考系体系下，建立了高精度的激光测距模型并初步工程化；3、和国际知名科学家合作，共同建立了VLBI下一代相对论模型，和IAU2000决议完全相融；4、和他人合作，在IAU2000决议及其推广的体系下，建立了地球的后牛顿的参考椭球的理论；5、和IAU的C52委员会主席Soffel一起合作专著《相对论天体力学和天体测量学》，对相对论参考系理论的基础、发展进行了深入的讨论；6、对基于标准宇宙学模型的相对论天文参考系进行了深入的研究和讨论，系统总结了包括本项目成果在内的研究结果；7、在银心系中进行相应运动学计算等其它工作；. 本项目的研究过程和研究结果，使得项目组成员深入掌握了相对论天文参考系的理论背景和研究方法，培养了三名研究生。我们在IAU2000相对论天文参考系及其扩展体系下发展了一系列的可以应用于高精度相对论天体测量和空间技术的相对论模型，并对IAU2000决议的中不足的部分进行的扩展。研究成果对我国快速发展的空间探测计划、天文观测技术有较好的理论参考价值，并可直接应用于数据处理。