“蓋亞”
——銀河系億萬(wàn)天體巡天器

□ 瑞典隆德大學(xué) 劉 成

“蓋亞”
——銀河系億萬(wàn)天體巡天器

□ 瑞典隆德大學(xué) 劉 成

藝術(shù)圖：“蓋亞”與銀河系（版權(quán)：ESA）

宏偉計(jì)劃

測(cè)量天體的位置、距離和空間運(yùn)動(dòng)是天文學(xué)研究中最基本的任務(wù)，而且已經(jīng)持續(xù)了幾個(gè)世紀(jì)。天體物理學(xué)參量的估計(jì)直接或者間接地依賴于它們的測(cè)量。恒星的絕對(duì)物理量，如恒星光度、半徑和質(zhì)量，直接取決于距離的測(cè)量。通過(guò)測(cè)量自行（即恒星運(yùn)動(dòng)在二維平面天空上的投影）、視向速度和距離，我們可以獲得恒星的三維空間運(yùn)動(dòng)。它能幫助我們知道當(dāng)前銀河系的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，從而使我們回溯整個(gè)銀河系的演化歷史。

人類(lèi)最早用肉眼觀察恒星在天空中的位置可以追溯到公元前1000年。在公元前三世紀(jì)的古希臘，第一位天文學(xué)家阿利斯塔克用三角定理的方法測(cè)量了地球到太陽(yáng)與地球到月亮的相對(duì)距離，以此來(lái)支持日心假說(shuō)。早在1609年，伽利略就第一次嘗試用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)視差，但是沒(méi)有成功。（視差是由于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)使得我們?cè)诓煌竟?jié)以不同視角看到恒星在天空中位置的微小變化。視差是個(gè)角度量，跟距離成反比，簡(jiǎn)單換算成距離是1角秒等于3.26光年。）一直到1838年才由三位天文學(xué)家分別獨(dú)立地測(cè)量到視差。相對(duì)于歷史悠久的天體位置和距離的測(cè)量，天體自行在1718年首先被英國(guó)天文學(xué)家埃德蒙·哈雷發(fā)現(xiàn)。由于視差和自行都很小，所以只有很少幾顆恒星達(dá)到角秒和角秒/年的量級(jí)（1度等于3600角秒）。

于是，天文學(xué)家不斷建造更大的望遠(yuǎn)鏡去觀測(cè)和記錄它們。因?yàn)榈厍虼髿舛秳?dòng)的干擾，地面望遠(yuǎn)鏡的極限角分辨率很少有小于0.5角秒。而空間望遠(yuǎn)鏡不受地球大氣的干擾，將極大提高對(duì)天體的角分辨率測(cè)量?；趯?duì)恒星距離和空間速度精確測(cè)量的巨大需要，歐洲空間局第一顆天體測(cè)量衛(wèi)星依巴谷衛(wèi)星（Hipparcos），于1989年8月升空。依巴谷衛(wèi)星在不到四年時(shí)間里精確測(cè)量了10萬(wàn)多顆恒星的自行和三角視差。由于沒(méi)有地球大氣的干擾，測(cè)量的精度比地球上提高了一百多倍。

科學(xué)家利用依巴谷衛(wèi)星數(shù)據(jù)至少在三個(gè)領(lǐng)域取得巨大成功。

1 它提供了一個(gè)精確的參考坐標(biāo)系，能夠讓我們把所有地面望遠(yuǎn)鏡的天體測(cè)量數(shù)據(jù)納入到同一個(gè)參考系中；

2 利用精確測(cè)量到的距離，我們能夠得到更全面和準(zhǔn)確的恒星參數(shù)（有效溫度、重力加速度和金屬豐度），從而更好地限制現(xiàn)有的恒星結(jié)構(gòu)和演化模型；

3 它極大地豐富了我們對(duì)太陽(yáng)臨近空間內(nèi)恒星運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)的理解，包括對(duì)整個(gè)銀河系動(dòng)力學(xué)的研究。

考慮到了依巴谷衛(wèi)星取得的巨大成功，歐洲空間局更具雄心地推動(dòng)了空間天體測(cè)量后續(xù)計(jì)劃——蓋亞衛(wèi)星（Gaia）。在5～6年的時(shí)間里，蓋亞衛(wèi)星將要測(cè)量10億顆恒星以及其他特殊天體，測(cè)量的精度將比依巴谷衛(wèi)星提高200多倍。對(duì)于比較明亮的恒星，距離測(cè)量的誤差將會(huì)小于10個(gè)微角秒。這相當(dāng)于我們從地球上能分辨出一枚在月球上的一元錢(qián)硬幣。相比依巴谷衛(wèi)星，蓋亞更加強(qiáng)大的地方在于，它不僅能夠準(zhǔn)確描繪恒星在空間的三維位置和速度，而且還能夠獲得恒星的光度測(cè)光和高分辨率光譜。一個(gè)令人振奮的消息是，蓋亞已于去年12月19日順利升空，并且已經(jīng)順利到達(dá)L2軌道。目前正在進(jìn)行各種調(diào)試和試觀測(cè)中。相信不久，“大地女神”將轉(zhuǎn)入正式工作狀態(tài)，并且大批量地下傳數(shù)據(jù)。

本圖展示了蓋亞能觀測(cè)的范圍以及可能獲得的觀測(cè)結(jié)果，同時(shí)預(yù)測(cè)了在不同距離所能得到的測(cè)量精度。（版權(quán)： ESA）

科學(xué)目標(biāo)

到目前為止，我們知道整個(gè)銀河系由旋臂、銀盤(pán)、棒狀結(jié)構(gòu)的核球、恒星暈和暗物質(zhì)暈組成。如果不考慮暗物質(zhì)暈，那么銀河系的各種不同結(jié)構(gòu)主要是由占絕大部分質(zhì)量的恒星、行星、星際氣體和塵埃，以及各種輻射混合組成。恒星以不同的方式分布在整個(gè)銀河系中，包括年齡、空間、繞銀河系運(yùn)動(dòng)的軌道和化學(xué)元素豐度等。我們知道恒星分布直接與整個(gè)星系的引力勢(shì)、恒星形成率和恒星形成歷史聯(lián)系在一起。所以，如果想要了解銀河系的結(jié)構(gòu)和演化， 我們必須要觀測(cè)盡可能多的恒星、足夠大的空間結(jié)構(gòu)和它們的三維空間運(yùn)動(dòng)。天體測(cè)量則唯一地提供了不依賴于理論模型的天體距離和運(yùn)動(dòng)學(xué)信息。另外，光度測(cè)光和視向速度光譜測(cè)量正好填補(bǔ)我們對(duì)觀測(cè)天體所要知道的全部信息。

于是，通過(guò)對(duì)大范圍內(nèi)億萬(wàn)顆恒星的探尋，蓋亞衛(wèi)星將幫助我們回答關(guān)于銀河系的三個(gè)最重要的問(wèn)題：

1恒星是從什么時(shí)間開(kāi)始形成的？

2銀河系是在什么時(shí)間并且通過(guò)怎樣的方式形成今天的旋渦星系？

3暗物質(zhì)是如何在銀河系中分布的？

第一和第二個(gè)問(wèn)題緊密聯(lián)系在一起。具體來(lái)說(shuō)，要回答它們，我們必須知道恒星形成歷史以及星系的形成和演化。目前對(duì)于類(lèi)似于銀河系這樣的大星系，主流的觀點(diǎn)是通過(guò)等級(jí)成團(tuán)形成，即一個(gè)中心星系不斷通過(guò)吸積周?chē)陌窍刀鴫汛?。但是在這樣的理論框架下，我們還不清楚恒星是否在一個(gè)大的星系形成之前就已經(jīng)在不同小結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中形成，或者是在某個(gè)暗物質(zhì)強(qiáng)引力場(chǎng)吸積到足夠多的氣體后再促發(fā)恒星的形成？在一個(gè)原初星系形成后，是什么力量決定它隨后形成一個(gè)旋渦星系或者橢球星系？通過(guò)不同的觀測(cè)手段，我們知道目前銀河系每年誕生大概3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，但是我們對(duì)于之前恒星的誕生率了解很有限。恒星在星系中是否是連續(xù)緩慢地形成的，還是在不同的時(shí)期有非常不一樣的形成歷史？另外，在整個(gè)銀河系形成與演化的歷史過(guò)程中，暗物質(zhì)是如何分布、通過(guò)怎樣的方式與可見(jiàn)物質(zhì)相互作用，從而參與或者決定星系的演化進(jìn)程，形成我們今天看到的棒旋星系？好在通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析以及與理論模型的對(duì)比，一方面不僅能極大地提高我們對(duì)整個(gè)銀河系形成與演化的了解，更好地回答前面的問(wèn)題，另一方面還能夠使得我們利用銀河系作為一個(gè)橋梁更加深入地研究其他星系以及整個(gè)宇宙。

科學(xué)儀器

根據(jù)總體的科學(xué)目標(biāo)，蓋亞被要求搭載三套不同的儀器以實(shí)現(xiàn)三種不同的功能，包括天體測(cè)量?jī)x、光度測(cè)光儀和視向速度光譜儀。但是實(shí)際上，以上三個(gè)功能被整合在一整套儀器中，它們共用兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)焦平面。望遠(yuǎn)鏡的主鏡M1（右圖）是一塊1.45m×0.5m鍍銀的長(zhǎng)方形反射鏡, 相當(dāng)于一個(gè)有效直徑為1米的望遠(yuǎn)鏡，視場(chǎng)約是0.45平方度。而焦平面上則布滿106塊CCD，總共約有10億個(gè)像素。

空間望遠(yuǎn)鏡有一個(gè)特別的好處就是能夠全方位、全天空觀測(cè)。如果我們想要測(cè)量多達(dá)10億個(gè)天體，用望遠(yuǎn)鏡連續(xù)不斷地掃描天空會(huì)是一個(gè)有效的辦法。蓋亞衛(wèi)星被設(shè)定有一個(gè)恒定為6個(gè)小時(shí)的自轉(zhuǎn)周期，而且衛(wèi)星自轉(zhuǎn)軸在地球到太陽(yáng)方向上還有一個(gè)63天的歲差運(yùn)動(dòng)。衛(wèi)星自轉(zhuǎn)軸與太陽(yáng)方向有45度的夾角。再考慮衛(wèi)星跟隨地球一起繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，因此在整個(gè)5年的觀測(cè)中，全天空能被平均掃描70次左右，測(cè)量的精度也將隨著被掃描的次數(shù)而不停提高。在此之前，依巴谷衛(wèi)星已經(jīng)證明，通過(guò)在一個(gè)夾角很大的兩個(gè)不同方向連續(xù)掃描將能夠取得足夠高的測(cè)量精度，并且最重要的是能夠獲得恒星的絕對(duì)距離。因此蓋亞采用了同樣的觀測(cè)手段，兩個(gè)不同方向的夾角達(dá)到106度。我們可以從右圖看到蓋亞搭載的兩套完全一樣的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，這樣從兩個(gè)不同方向來(lái)的光將聚焦在同一個(gè)焦平面。由于采用了更大的夾角和望遠(yuǎn)鏡，對(duì)于視星等小于15等的恒星，距離和自行的測(cè)量精度也能達(dá)到10微角秒。另外蓋亞的天體測(cè)量極限視星等是20等。通過(guò)地面的數(shù)據(jù)處理，對(duì)于每個(gè)恒星，我們都能得到它的五個(gè)天體測(cè)量量：二維天球坐標(biāo)、視差和兩個(gè)方向的自行。

本圖展示了蓋亞衛(wèi)星有效載荷模塊搭載的兩套完全相同的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。當(dāng)一束光從一個(gè)窗口進(jìn)入，通過(guò)反射鏡M1反射到M2上，之后由M2反射到M3，再經(jīng)過(guò)M4、M5和M6反射鏡到達(dá)焦平面。在這里兩束不同的光共用同一個(gè)焦平面，另外106個(gè)CCD探測(cè)器布置在焦平面上。（版權(quán)： CNES）

圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

同時(shí)準(zhǔn)確的視向速度和多色光度測(cè)光也是蓋亞的重要觀測(cè)任務(wù)，它們和天體測(cè)量共用望遠(yuǎn)鏡和焦平面。通過(guò)測(cè)量天體光譜能譜的多色測(cè)光，我們能夠獲得的恒星參量包括：光度、有效溫度、質(zhì)量、年齡和各種元素的豐度。蓋亞對(duì)兩個(gè)低分辨率光譜的積分，將幫助我們獲得藍(lán)端和紅端的兩個(gè)寬帶測(cè)光。它們的波長(zhǎng)覆蓋分別是330～680納米和640～1050納米。每個(gè)波段都有7個(gè)CCD接收光子，光度測(cè)光設(shè)備后面接著的12個(gè)CCD會(huì)接收用來(lái)測(cè)量視向速度的光譜。被觀測(cè)的明亮恒星目標(biāo)都是從之前的多色測(cè)光中挑選出的。我們知道，恒星的視向速度只能通過(guò)測(cè)量光譜的譜線獲得。所以蓋亞的光譜儀被設(shè)計(jì)成在很窄的波長(zhǎng)范圍（847～874納米）里能獲得非常高的分辨率，約為11500。因此對(duì)于視星等小于15等的恒星，視向速度的測(cè)量精度能達(dá)到5km／s。所有觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，對(duì)每一顆恒星我們將能獲得多達(dá)12維參數(shù)，包括3維空間位置、3維空間速度、絕對(duì)星等、有效溫度、重力加速度、元素豐度、恒星質(zhì)量和年齡。

其他研究

除了前面提到的三個(gè)最主要的問(wèn)題外，蓋亞還能幫助我們?cè)谝韵氯齻€(gè)領(lǐng)域中取得重要進(jìn)展。

1.首先，恒星演化模型描述了一個(gè)恒星的各種物理成分和內(nèi)部反應(yīng)過(guò)程隨著年齡的演化，并預(yù)測(cè)出我們能觀測(cè)到的物理量，包括光度、有效溫度、元素在恒星表面的豐度等。雖然我們已經(jīng)對(duì)恒星演化中的一般物理過(guò)程很了解，特別是對(duì)于類(lèi)太陽(yáng)恒星，理論預(yù)測(cè)與觀測(cè)已經(jīng)非常吻合，但是對(duì)于超大質(zhì)量恒星、褐矮星以及漸近支巨星（AGB星）的實(shí)際觀測(cè)與理論預(yù)測(cè)在赫羅圖（HR）上仍然有一定出入。隨著蓋亞給出準(zhǔn)確的恒星光度、表面溫度、化學(xué)成分、質(zhì)量以及不同距離和方向上的消光分布，并通過(guò)對(duì)比不同質(zhì)量恒星的理論演化曲線和恒星實(shí)際在赫羅圖上的位置，這將會(huì)使我們?cè)诠烙?jì)恒星內(nèi)部對(duì)流核、外部對(duì)流區(qū)和內(nèi)部元素?cái)U(kuò)散問(wèn)題時(shí)取得重要突破。

2.其次，由于蓋亞有到20等的極限視星等，這將使得我們能夠發(fā)現(xiàn)成千上萬(wàn)顆新的在火星和木星之間的小行星，以及地球周邊上千個(gè)相對(duì)于地球高速運(yùn)動(dòng)的小彗星和小行星。這些小天體很可能由于地球的引力牽引而與地球擦肩而過(guò)或者成為流星。而且，蓋亞有長(zhǎng)達(dá)5年，甚至6年的時(shí)間測(cè)量它們的位置和速度，我們將很容易就能計(jì)算出這些小天體的軌道以及質(zhì)量，從而可以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)其對(duì)地球的威脅等級(jí)。

蓋亞兩個(gè)CCD拼接的星系M94（版權(quán)：ESA/DPAC/Airbus DS）

蓋亞調(diào)焦前后拍攝的貓眼星云（版權(quán)：ESA/ DPAC/Airbus DS）

3.最后，尋找太陽(yáng)系外行星是當(dāng)前非常熱門(mén)的一個(gè)科學(xué)和公共目標(biāo)。在設(shè)計(jì)蓋亞之初，天文學(xué)家們就已經(jīng)考慮到了利用精確測(cè)量的位置、距離和自行尋找系外行星的任務(wù)。在測(cè)量精度達(dá)到微角秒的情況下，對(duì)于明亮的主序星，我們能明顯地發(fā)現(xiàn)一個(gè)在恒星空間運(yùn)動(dòng)軌跡上的擾動(dòng)量。而這個(gè)擾動(dòng)量就是由于行星繞恒星運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。初步估計(jì)在距離太陽(yáng)大概650光年以內(nèi)，我們將能找到上萬(wàn)顆類(lèi)太陽(yáng)的主序星，它們都將擁有至少一個(gè)類(lèi)似木星大小的行星。但到目前為止，通過(guò)各種方法發(fā)現(xiàn)的系外行星大概不到2000個(gè)。除了天體測(cè)量的方法能發(fā)現(xiàn)系外行星，行星凌星的方法（即行星運(yùn)動(dòng)到恒星的前面遮住一部分光，使得觀測(cè)到的光變曲線存在周期性的變化）也能探測(cè)到行星的存在。結(jié)合這兩種方法，就能很容易地給出行星的質(zhì)量、距離、繞恒星的周期等。從而可以推測(cè)行星是否是個(gè)固體星球以及是否在宜居帶內(nèi)。

蓋亞拍攝的NGC2516星團(tuán)天區(qū)（左）與地面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)圖片（右）對(duì)照（版權(quán)：ESA/DPAC/Airbus DS）

數(shù)據(jù)釋放

由于衛(wèi)星搭載的儀器計(jì)算能力有限，所有的觀測(cè)數(shù)據(jù)都會(huì)被下傳到地面，由地面超算中心并行處理。衛(wèi)星搭載的106個(gè)CCD不停工作，一天能產(chǎn)生大概30GB的數(shù)據(jù)。因此蓋亞配備有在X波段的數(shù)據(jù)下傳設(shè)備，下載速度是4～8Mbps。

蓋亞所有的數(shù)據(jù)將遵循分批次完全對(duì)外釋放的原則，不僅廣大天文工作者能夠無(wú)償使用它，而且每個(gè)天文愛(ài)好者都可以自己下載想要的數(shù)據(jù)和星圖等。地面數(shù)據(jù)處理是一個(gè)不斷循環(huán)的過(guò)程，隨著新的數(shù)據(jù)不斷注入，整個(gè)計(jì)算過(guò)程就要不斷地重復(fù)，不斷提高測(cè)量精度。蓋亞的數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)會(huì)在衛(wèi)星發(fā)射后的第22個(gè)月第一次釋放。它包括天體的位置、全可見(jiàn)光波段的平均G星等和所有依巴谷目錄中恒星的自行。6個(gè)月后，將會(huì)第二次釋放數(shù)據(jù)。除了誤差更小的位置、自行、G星等，還包括明亮恒星的視向速度。第三次和第四次數(shù)據(jù)釋放分別會(huì)在此后的第22個(gè)月和第47個(gè)月。完整的全天數(shù)據(jù)將會(huì)在衛(wèi)星停止工作后的第三年釋放。

蓋亞近況

根據(jù)蓋亞團(tuán)隊(duì)公布的最新消息，目前蓋亞衛(wèi)星搭載的服務(wù)模塊已經(jīng)全部喚醒并且正常工作，搭載的科學(xué)儀器也能正常工作了。

此前搭載有106個(gè)CCD接收器的面板其實(shí)沒(méi)有完全處于焦平面上，但是經(jīng)過(guò)地面控制中心利用自身攜帶的激光系統(tǒng)不斷地微調(diào)望遠(yuǎn)鏡的第二副鏡，現(xiàn)在兩套望遠(yuǎn)鏡都已經(jīng)處于對(duì)焦?fàn)顟B(tài)。

雖然整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)目前能夠很好地工作，但是想要獲得高質(zhì)量的科學(xué)數(shù)據(jù)，蓋亞科學(xué)團(tuán)隊(duì)還需解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

1 我們?cè)诘孛婵吹缴w亞的視星等約為21等，這比預(yù)計(jì)的要暗3個(gè)星等。由于蓋亞太暗，用地面一米望遠(yuǎn)鏡每天精確測(cè)量蓋亞在天空中的位置這一最初計(jì)劃就變得無(wú)法實(shí)現(xiàn)了，因此也無(wú)法精確計(jì)算出每個(gè)觀測(cè)天體的空間位置。通過(guò)申請(qǐng)2米級(jí)地面望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間，并且與甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）組的合作，目前這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)得到了初步解決。

2 由于蓋亞衛(wèi)星發(fā)射后，自身帶有一定的水蒸氣，而水蒸氣結(jié)冰又導(dǎo)致整個(gè)望遠(yuǎn)鏡傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)了遲鈍，同時(shí)也可能污染了其中一套望遠(yuǎn)鏡的主鏡，使得兩套相同的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)同一個(gè)天體得到了不同的星等。通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星與太陽(yáng)的角度，利用太陽(yáng)光融化掉附著在望遠(yuǎn)鏡上的冰或者其他污染物，情況已經(jīng)得到明顯好轉(zhuǎn)。

3 我們可以看到有一定的漫散射光污染了蓋亞焦平面。太陽(yáng)光通過(guò)太陽(yáng)遮光板邊緣的衍射進(jìn)入到衛(wèi)星，并且可能通過(guò)未完全融化的冰的反射造成了相當(dāng)一部分的漫散射光；也可能有很小一部分來(lái)自于星空中其他明亮天體的光通過(guò)我們不知道的路徑到達(dá)了焦平面。下一步去冰和消除漫散射光的計(jì)劃已經(jīng)在緊張進(jìn)行中，希望蓋亞科學(xué)團(tuán)隊(duì)能夠給我們帶來(lái)更多好消息。