搭載十億像素相機(jī)的“蓋亞”探測(cè)器成功發(fā)射

“蓋亞”探測(cè)器（Global Astrometric Interferometer for Astrophysics，GAIA）于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2013年12月19日9時(shí)12分在法屬圭亞那太空中心搭乘俄羅斯的“聯(lián)盟”號(hào)火箭發(fā)射升空。

GAIA由歐洲空間局（ESA）負(fù)責(zé)研制，質(zhì)量為2t，耗資20億英鎊，工作在可見光譜段，進(jìn)入軌道后圓形遮陽板展開直徑約11m。GAIA運(yùn)行在第二拉格朗日點(diǎn)（L2）的“李薩如”軌道（Lissajous Orbit）上，該軌道是天體觀測(cè)中一個(gè)較為理想的軌道，擁有非常穩(wěn)定的熱環(huán)境，可獲得比較高的觀測(cè)效率，并且環(huán)境輻射量較低。

按照計(jì)劃GAIA任務(wù)將歷時(shí)5年，可觀測(cè)到星等最暗為20等的天體，并繪制一個(gè)包含約10億顆或銀河系1%恒星的三維星圖。GAIA的目標(biāo)包含：

1）測(cè)量銀河系內(nèi)10億顆恒星的位置、距離以及每年的自行運(yùn)動(dòng)量；

2）探測(cè)上萬個(gè)系外行星系統(tǒng)；

3）尋找運(yùn)行在地球和太陽之間區(qū)域的阿波希利型小行星（Apohele Asteroids）。因?yàn)樵搮^(qū)域總是被強(qiáng)烈的陽光所照射，很難用地基望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)監(jiān)視；

4）探測(cè)50萬顆遙遠(yuǎn)的類星體（Quasar）；

5）對(duì)阿爾伯特?愛因斯坦的廣義相對(duì)論進(jìn)行更加精確的測(cè)量。

GAIA的組成如圖1所示，可分為兩部分：有效載荷部分和控制服務(wù)部分。有效載荷部分由兩架望遠(yuǎn)鏡、焦平面和相關(guān)電子設(shè)備組成。兩架望遠(yuǎn)鏡的主鏡尺寸為1.45m×0.5m，指向成106.5°夾角。每架望遠(yuǎn)鏡的光路由M 1~M 6共6塊高穩(wěn)定SiC材料鏡面組成，其中M 1~M 4是獨(dú)立的，M 5~M 6是共用的。每架望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)為0.45m2，聚光面積為0.725m2，焦距為35m，后面加有光束合成器和轉(zhuǎn)向鏡以使得光束聚焦到CCD上。2個(gè)望遠(yuǎn)鏡投影的1.0m×0.5m焦平面陣列由106個(gè)4 500×1 966像素的CCD組成。按計(jì)劃GAIA將在5年內(nèi)對(duì)每個(gè)對(duì)象觀測(cè)大約70次，以獲得其精確位置、距離、運(yùn)動(dòng)和亮度變化?？刂品?wù)部分包括機(jī)械設(shè)備、結(jié)構(gòu)部件、電子設(shè)備和熱設(shè)備。

圖1 GAIA組成示意

GAIA包含3個(gè)各自分離的共用望遠(yuǎn)鏡和焦平面的探測(cè)設(shè)備：

1）天文測(cè)量儀（Astrometric instrument，ASTRO），測(cè)量視星等為5.7~20等之間恒星的角位置。

2）光度儀（Photometric Instrument，BP/RP），可測(cè)量視星等為5.7~20等恒星發(fā)出的320~1 000nm譜段的光譜，藍(lán)色和紅色分光光度計(jì)用來確認(rèn)恒星狀態(tài)，如表面溫度、質(zhì)量、年齡、組成元素等。

3）徑向速度光譜儀（Radial Velocity Spectrometer，RVS），在波段847~874nm（鈣離子線）觀測(cè)視線上最暗為17等的天體，取得其高分辨率光譜以測(cè)定天體徑向速度。在V波段11.5等時(shí)分辨率可達(dá)1km/s，17.5等時(shí)則為30km/s。徑向速度的測(cè)量對(duì)于修正視線方向加速度非常重要。

GAIA的優(yōu)異之處在于其搭載了被稱為“十億像素陣列”的超級(jí)相機(jī)，被喻為“蓋亞之眼”，是歐空局打造的數(shù)字成像系統(tǒng)，擁有前所未有的觀測(cè)分辨率，科學(xué)家試圖通過GAIA的超級(jí)相機(jī)繪制銀河系的三維地圖，并揭示星系的組成結(jié)構(gòu)、形成以及未來的演化。

“十億像素陣列”相機(jī)探測(cè)器由英國E2V技術(shù)公司開發(fā)，器件稍小于一張信用卡，每個(gè)器件的尺寸為4.7cm×6cm，但其厚度不及人的頭發(fā)絲。拼接完成后的模塊上CCD排列成7列，如圖2所示。主陣列包括102塊CCD器件，將用于暗弱星光的探測(cè)，其余4塊則將負(fù)責(zé)校驗(yàn)每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量，以及2臺(tái)望遠(yuǎn)鏡之間是否保持了106.5°的張角。為了提高探測(cè)精度，飛船在運(yùn)行過程中必須維持~110°C的低溫。GAIA“十億像素陣列”相機(jī)的支撐設(shè)備采用了SiC材料，對(duì)于溫度變化較為劇烈的環(huán)境有極強(qiáng)的耐受力和韌性。

圖2 拼接完成后的相機(jī)探測(cè)器陣列