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紫金山天文臺發布近鄰宜居行星巡天計劃(CHES)仿真平臺

  中國科學院紫金山天文臺科研團隊圍繞空間探測任務近鄰宜居行星巡天計劃(Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES)開展了先期研究,搭建了一個基于Python的仿真平臺,其中包含行星軌道參數反演、衛星觀測視場仿真、觀測策略與方案仿真等內容。相關研究成果作為封面論文(圖1)發表在Research in Astronomy and Astrophysics (RAA)。

  近鄰宜居行星巡天計劃(CHES)由紫金山天文臺領銜的科研團隊提出。該計劃將發射一個1.2米口徑的空間望遠鏡, 通過微角秒級的相對天體測量方法探測圍繞100顆近鄰類太陽型恒星(距太陽系約 32 光年)的宜居帶類地行星。該計劃是具有原創性技術路線的“中國方案”,相關研究將回答“地球是否唯一”及“行星如何成為生命搖籃”等重大科學問題。

  隨著天文學的發展,高精度的天體測量技術及時空基準的建立對于基本天文學研究尤其重要。國際天文聯合會(IAU)在對于時間、空間、坐標系、地球姿態等問題進行了多次的定義、討論與統一后,發布了多項決議以協調解決相關問題,為天文學家在基本天文學研究中所需要的各項參數提供了關鍵算法,即建立并維護Fortran和C語言版本的SOFA軟件。


圖1 Research in Astronomy and Astrophysics 封面論文

  科研團隊在國際天文聯合會所發布的SOFA (the Standards of Fundamental Astronomy Service)軟件基礎上進行了重新編寫,推出了一套可應用在Python平臺并與國際天文聯合會的決議相一致的、權威的算法,即PyMsOfa,并將此程序加入到CHES仿真平臺中。PyMsOfa的建立填補了SOFA軟件在Python語言的空白,也為科研工作者提供SOFA算法在Python中直接、方便和高效的應用。它提供了三種方式在Python中實現SOFA中的算法,包括ctypes,cffi及基于SOFA算法的利用Python語言編寫,三種方法均可實現SOFA中全部247個函數的全部功能。目前版本是基于SOFA在2023年10月11日的最新發布。

  該軟件的核心功能包括:(1)時間與日歷模塊:提供應用在不同場景下的不同時間之間的轉換,包括:TAI,UTC,UT1,TT等及歷元之間的轉換;(2)坐標系模塊:除了多個常用坐標系之間的轉換,還包括了FK4,FK5,依巴谷等坐標之間的轉換關系。同時提供了多個常用觀測位置的天體測量參數之間的變換;(3)地球姿態模塊:基于IAU在歷年決議中相關內容,提供歲差、章動、極移等相關參數的準確數值及算法。


圖2 左:模擬仿真CHES衛星在日地L2點對目標星(* zet Tuc)觀測時的視場與參考星。右:ESASky提供的圖像

  PyMsOfa不僅可用于CHES空間任務中對觀測目標恒星與參考星的視場仿真(圖2)及獲得的天體測量數據的解算等,其在天體測量領域相關計算的權威性使其也可用于其他天文學研究前沿,例如黑洞的觀測(圖3)、中國空間站巡天望遠鏡觀測、小天體與行星深空探測、地球姿態預測及時間校準等。


圖3 Gaia BH1光心5年內的預測運動

  此外,PyMsOfa具有良好的跨平臺性能,在Windows、Linux和MacOS等多個操作系統上穩定運行,并均提供了詳細的說明文檔,使得研究人員可以迅速上手并快速掌握其功能。PyMsOfa已發布在Github、PyPI等平臺,詳細信息可訪問:https://github.com/CHES2023/PyMsOfa,https://pypi.org/project/PyMsOfa/。

  該研究得到中國科學院空間科學先導專項、國家自然科學基金重點項目等資助。

  文章鏈接:https://doi.org/10.1088/1674-4527/ad0499

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