2014，跟隨“蓋亞”探宇宙

何銳思（Richard de Grijs）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

圖1 “蓋亞”將對銀河系的恒星進(jìn)行測繪。

新年到，展望未來新進(jìn)展！

一年的開始，總是回首過去、展望未來的機(jī)會(huì)。告別蛇年，馬年到來。新年也帶來了令人振奮的消息。空間天文學(xué)正在不斷壯大，而歐洲空間局（簡稱歐空局，ESA）超乎想象的“蓋亞”（Gaia）項(xiàng)目如果進(jìn)展順利，將可能對空間天文的發(fā)展產(chǎn)生不可估量的影響。

“蓋亞”是一架先進(jìn)的空間望遠(yuǎn)鏡，于2013年12月19日（星期四）從南美洲法屬圭亞那的庫魯（Kourou）由俄羅斯“聯(lián)盟-FG”（Soyuz-STBFregat）運(yùn)載火箭成功發(fā)射，其任務(wù)包括探測十億顆恒星的空間信息，并繪制迄今為止最為精細(xì)的銀河系地圖。升空42分鐘后，衛(wèi)星與最后一級(jí)火箭分離，控制人員宣布一切正常。多虧了現(xiàn)代先進(jìn)的通訊技術(shù)，我們在北京大學(xué)科維理天體物理研究所也能夠看到發(fā)射的全過程。在星期四的例行學(xué)術(shù)討論會(huì)之后，我們將投影儀連接到歐空局電視廣播頻道（ESA TV broadcast），忐忑不安地等待著當(dāng)?shù)貢r(shí)間下午5點(diǎn)12分的發(fā)射。所幸，我們在會(huì)議廳的主屏幕上看到了一次完美的發(fā)射。我仿佛聽見大家都長長舒了一口氣——這也許是我的想象，但真的，在場的所有人都為這次發(fā)射沒有明顯的瑕疵而高興不已——因?yàn)楫吘?，我們這里有好幾位同事都是“蓋亞”項(xiàng)目的成員，一直在為它的成功不懈努力著。不過，今后將有更多的工作等待著他們。

圖2 位于歐洲空間局無塵室中的“蓋亞”。圖片來源網(wǎng)絡(luò)。

圖3 衛(wèi)星艙里的“蓋亞”，即將登上火箭奔赴太空。圖片來源：ESA

“蓋亞”探測的恒星數(shù)目，將比它的前輩、歐空局上世紀(jì)90年代投入使用的“伊巴谷”空間望遠(yuǎn)鏡（Hipparcos）多50倍。而直到今天，根據(jù)“伊巴谷”衛(wèi)星的數(shù)據(jù)編成的星表仍然被專業(yè)天文學(xué)家認(rèn)為是最可靠的。“‘蓋亞’是九年艱苦工作的結(jié)晶，它將為我們理解宇宙及其歷史、法則提供特別的幫助”，法國國家空間研究中心（CNES）領(lǐng)導(dǎo)讓-伊夫·勒加爾（Jean-Yves Le Gall）說。該中心也是“蓋亞”項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者之一。據(jù)劍橋大學(xué)天文研究所（Institute of Astromony，IoA）教授格里·吉爾默（Gerry Gilmore）說，該項(xiàng)目的結(jié)果“將前所未有地革新我們對宇宙的認(rèn)識(shí)。”

“蓋亞”將從2014年5月起開始它的恒星巡天工作。在此之前，它要先運(yùn)行到距地球150萬千米的日地連線延長線上——遠(yuǎn)在月球軌道之外的第二拉格朗日點(diǎn)（L2）。在那里，全年都可以進(jìn)行觀測，而不受太陽、地球和月球的雜光影響。在2011年12月《天文愛好者》“天文視點(diǎn)”的文章里我曾提到過這一點(diǎn)，不過當(dāng)時(shí)的重點(diǎn)是介紹它搭載的超高像素照相機(jī)。在L2點(diǎn)上，基于地面上的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)監(jiān)測，“蓋亞”每個(gè)月要進(jìn)行一次調(diào)整，以保證其位置在100米的精度之內(nèi)。

意料之外新發(fā)現(xiàn)

“我們對‘外面有什么’的理解取決于我們對能看到的東西的觀察。我們從來沒有機(jī)會(huì)真正去看到一切，去知道外面有什么，去了解它們之間有怎樣的關(guān)系。我們甚至不知道我們有多少東西還不知道。外面無疑有很多我們甚至還沒命名的東西，因?yàn)槲覀冞€沒意識(shí)到它們有多奇妙?！奔獱柲f。

在五年的任務(wù)里，“蓋亞”的十億像素照相機(jī)將極為精確地測量恒星繞銀河系中心的運(yùn)動(dòng)：在它探測的十億顆恒星中，每一顆都將被重復(fù)觀測70~100次。這將幫助我們了解銀河系的起源和演化。每一個(gè)天體都保留著它誕生時(shí)那個(gè)時(shí)代的一些信息。因此，“蓋亞”不僅能繪制我們今天看到的天空的地圖，也能夠讓我們回溯到數(shù)十億年前——我們仿佛能通過“延時(shí)（time-lapse）攝影”看到我們星系一生的變化。

科學(xué)家同時(shí)也希望“蓋亞”能夠探測到10000~50000顆太陽系外的行星；以及，在10000顆左右的超新星達(dá)到極大亮度之前探測到它們，以提醒地面上打算研究超新星爆發(fā)的科學(xué)家及時(shí)觀測。當(dāng)然，并不只有那些核心發(fā)生核聚變的恒星才會(huì)吸引科學(xué)家的注意，褐矮星——所謂“失敗的恒星”，它們游蕩在星際空間中，核心從來沒能真正點(diǎn)燃核聚變反應(yīng)——也是“蓋亞”尋找的目標(biāo)。另外，將眼光放回我們的家園，“蓋亞”將列出一張?zhí)栂敌⌒行呛湾缧乔鍐?，從可能威脅地球的近地天體，到火星與木星之間的小行星帶，再到冰冷的外太陽系柯伊伯帶，一應(yīng)俱全。

“蓋亞”飛船搭載的傳感器的探測能力要比人眼強(qiáng)4000倍。這架2.03噸重的望遠(yuǎn)鏡“威力強(qiáng)大，其分辨能力相當(dāng)于在1000千米外看清一根頭發(fā)”，法國國家空間研究中心（CNES）網(wǎng)站上這樣寫道。根據(jù)歐空局的說法，“如果說‘伊巴谷’衛(wèi)星能夠測量的角度相當(dāng)于月球上一名宇航員的身高，那么‘蓋亞’就相當(dāng)于能分辨他的指甲?！倍鴦虼髮W(xué)天文研究所科學(xué)家、英國“蓋亞”數(shù)據(jù)處理負(fù)責(zé)人弗洛·凡·列文博士（Floor van Leeuwen）對此解釋說，它“意味著我們需要威力更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來分析這些數(shù)據(jù)?！毕旅嫖覀儗⒖吹剑瑴y試數(shù)據(jù)已經(jīng)開始傳回IoA的一臺(tái)特制計(jì)算機(jī)以及歐洲其他四個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算中心。不出幾個(gè)月，“蓋亞”衛(wèi)星就可以全面投入使用了。

格里·吉爾默估計(jì)，“蓋亞”的第一張三維（3D）地圖將在兩年之內(nèi)繪制完成，“3D繪圖需要結(jié)合各種復(fù)雜的算法。我們在運(yùn)動(dòng)，恒星也在運(yùn)動(dòng)，而且如果它周圍有行星運(yùn)轉(zhuǎn)，它的運(yùn)動(dòng)還會(huì)發(fā)生搖擺。你必須處理這三種運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，我們要發(fā)現(xiàn)一萬顆繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星，也正是根據(jù)這個(gè)原理?！奔獱柲@里提到的“搖擺”指的是恒星在視線方向（我們和恒星的連線）上的運(yùn)動(dòng)發(fā)生的微小變化，以及當(dāng)行星從前面經(jīng)過時(shí)恒星亮度微小的下降。行星的引力會(huì)使后面的星光發(fā)生微小的偏折。

圖4 這是一部能“解答我們提出的一切關(guān)于恒星的問題”的機(jī)器。圖片來源網(wǎng)絡(luò)。

撼動(dòng)天文學(xué)的基礎(chǔ)？

為什么宇宙是現(xiàn)在這個(gè)樣子？銀河系起源于何處？它到底由什么組成？它的質(zhì)量有多大？它如何演化成現(xiàn)在的模樣？說這樣的問題有幾百個(gè)，一點(diǎn)也不夸張。”吉爾默說，“我們將走出我們所能看到的，去認(rèn)識(shí)這個(gè)世界真實(shí)的樣子。我們將發(fā)現(xiàn)全新的東西，那些會(huì)讓我們覺得不可能的東西。

或許與計(jì)劃中的新發(fā)現(xiàn)一樣激動(dòng)人心的，是“蓋亞”取得的科學(xué)成果將能用來檢驗(yàn)天文學(xué)的一些基礎(chǔ)假設(shè)?！坝辛恕w亞’，我們就能夠‘校準(zhǔn)’那些作為我們宇宙知識(shí)基礎(chǔ)的‘標(biāo)準(zhǔn)’”，弗洛·凡·列文解釋道，“如果你能把作為天文學(xué)基礎(chǔ)的‘標(biāo)準(zhǔn)’的精度大大提高，那么這些標(biāo)準(zhǔn)在接下來的幾十年里都將在這個(gè)領(lǐng)域持續(xù)起作用?！狈病ち形拿靼鬃约涸谡f什么。他的生涯中有十余年是在詳細(xì)地分析“伊巴谷”衛(wèi)星的觀測結(jié)果，而這徹底重新定義了銀河系中我們所在這片區(qū)域的距離尺度。

例如，“蓋亞”將能對廣義相對論進(jìn)行迄今最精確的驗(yàn)證。根據(jù)相對論，星光經(jīng)過大質(zhì)量天體附近會(huì)發(fā)生偏折，我們觀察到它們的位置也就會(huì)發(fā)生一些偏移。由于“蓋亞”對目標(biāo)位置的測量極為精確，星光經(jīng)過太陽或木星時(shí)位置上發(fā)生的細(xì)小改變，它也能夠探測到。如果讀者一直關(guān)注“天文視點(diǎn)”，就會(huì)記得我在2012年4月的文章中介紹過這種被稱為“引力透鏡”的效應(yīng)。“蓋亞”將來也可以幫助科學(xué)家尋找愛因斯坦預(yù)言的“時(shí)空的漣漪”——引力波。雖然現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)，但愛因斯坦的理論預(yù)言，引力波通過伸縮時(shí)空，也可以改變恒星看上去的位置。宇宙誕生時(shí)的大爆炸有可能產(chǎn)生這種“漣漪”，而“蓋亞”將幫助天文學(xué)家推斷出它可能的強(qiáng)度。無論在全世界還是在中國，這一領(lǐng)域目前都呈井噴式發(fā)展。中國科學(xué)院國家天文臺(tái)（NAOC）的雷納·斯普爾澤（Rainer Spurzem）教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在這一課題上取得了許多成果。

同時(shí)，“蓋亞”也在慢慢步入“正軌”。一旦按計(jì)劃開始巡天測量，它將生成海量的數(shù)據(jù)。在整個(gè)任務(wù)期中，“蓋亞”將產(chǎn)生約100TB（Terabyte，1TB=1024GB）的數(shù)據(jù)（原始圖像），相當(dāng)于32000小時(shí)的DVD電影。不過，為了提高效率，只有每顆被觀測恒星附近一小塊區(qū)域的圖像會(huì)被傳回地球并進(jìn)行分析。

老朋友的新形象

2014年2月4日，ESA釋放了“蓋亞”的第一張測試圖像（圖6）。拍攝測試圖像是“蓋亞”設(shè)備調(diào)試的一部分。與未來的工作模式一樣，“蓋亞”團(tuán)隊(duì)只下載了相機(jī)拍攝圖像的一小部分，即這幅測試圖像。它只占“蓋亞”全視野的不到1%。這次的設(shè)備調(diào)試情況良好，但仍有必要開展進(jìn)一步工作以了解整個(gè)設(shè)備表現(xiàn)如何。測試圖像（圖6）中顯示的是大麥哲倫云中的年輕星團(tuán)NGC 1818。大麥哲倫云是銀河系的伴星系，也是離我們最近的星系之一。就我個(gè)人而言，我對這個(gè)測試目標(biāo)的選擇著實(shí)感到驚喜：因?yàn)楸本┐髮W(xué)我自己的研究小組，和國家天文臺(tái)的學(xué)生，曾經(jīng)一起仔細(xì)研究過哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的這個(gè)星團(tuán)的圖像！相比之下，“蓋亞”的測試圖像質(zhì)量極高，我相信它將能順利完成今后的任務(wù)。

圖6 “蓋亞”傳回的測試圖像。圖片來源：ESA/DPAC/Airbus DS。

這幅NGC 1818的“肖像”是“蓋亞”向我們傳回的第一幅“圖像”，但同時(shí)，它也是最后一幅。“看著‘蓋亞’十億像素相機(jī)拍攝的第一幅震撼的照片，首先，要對為之艱苦工作的科學(xué)家和工程師表示由衷的感謝。其次，我們從中瞥見了未來的輝煌和挑戰(zhàn)，‘蓋亞’將融入人類對銀河系起源的認(rèn)識(shí)。這將是天文學(xué)上重要的一步，我們將要邁出的一步。”吉爾默說。這讓我們想起美國宇航員尼爾·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）的名言“這是（一個(gè)）人的一小步，人類的一大步?！备窳帜嶂螘r(shí)間1969年7月21日02:56，當(dāng)阿姆斯特朗成為第一個(gè)踏上月球的人時(shí)，曾經(jīng)這樣說道。“蓋亞”能否像“阿波羅”計(jì)劃之于航天事業(yè)那樣，讓我們對宇宙的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生深刻的影響，并給下一代的科學(xué)家和工程師帶來靈感和鼓舞，歷史將給出答案。

為了達(dá)成目標(biāo)，“蓋亞”將把視線緩慢掃過整個(gè)天空，并將方向相反的兩個(gè)主鏡收集的星光聚焦到一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)上。這可是目前太空中運(yùn)行的最大的相機(jī)，將近有十億像素。但是，望遠(yuǎn)鏡首先要正確地定向和調(diào)焦，設(shè)備也需要校準(zhǔn)，這都是極為復(fù)雜的工作，在“蓋亞”正式開始為期五年的任務(wù)之前，科學(xué)家還需要花幾個(gè)月的時(shí)間來完成這些準(zhǔn)備。

當(dāng)全部十億個(gè)目標(biāo)在最初的六個(gè)月都被觀測過一遍之后，“蓋亞”將在接下來的五年里一遍遍地重復(fù)觀測它們，測量它們在天空中位置的微小變化，以幫助天文學(xué)家確定恒星的距離（通過三角視差法）和自行運(yùn)動(dòng)。作為“蓋亞”最終成果的星表，將在五年任務(wù)完成的三年后公開。不過，如果有快速變化的天體如超新星被探測到，項(xiàng)目組將在數(shù)據(jù)生成幾小時(shí)之內(nèi)及時(shí)發(fā)布提醒。

現(xiàn)在，我們離收獲“蓋亞”的成果還有幾年的時(shí)間。這里，我用了“我們”，因?yàn)楸本┐髮W(xué)和上海天文臺(tái)的很多中國天文學(xué)家都正式加入了“蓋亞”數(shù)據(jù)的開采工作。第一位中國自己培養(yǎng)的研究“蓋亞”相關(guān)課題的博士生即將在北京大學(xué)進(jìn)行答辯。對我們來說，毫無疑問，振奮人心的時(shí)刻已經(jīng)到來。對于這些來自迄今最具雄心天文項(xiàng)目的海量數(shù)據(jù)，中國天文學(xué)家已經(jīng)磨刀霍霍，準(zhǔn)備好開發(fā)這期待已久的寶庫了！

圖7 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的年輕星團(tuán)NGC 1818圖像及其在大麥哲倫云（星系）中的位置。圖片來源：Rebecca Elson and Richard Sword, Cambridge UK, and NASA/ ESA/J. Westphal, Caltech。

圖8 2013年12月19日，“蓋亞”空間望遠(yuǎn)鏡搭乘“聯(lián)盟”VS06火箭從位于法屬圭亞那的歐洲空間局發(fā)射場升空。圖片來源：S. Corvaja。

2014，跟隨“蓋亞”探宇宙

□ 文 何銳思（Richard de Grijs) / 翻譯 程思淼