星圖

苗千

“洞察號”火星登陸器渲染圖

2018年4月25日，歐洲空間局（ESA）發(fā)布了由蓋亞飛行器（Gaia Spacecraft）經(jīng)過三年多的太空探測所收集到的數(shù)據(jù)，而后繪制出的第一幅關(guān)于整個(gè)銀河系的三維地圖。這幅地圖以前所未有的精度描繪了我們所居住的星系。

銀河系的模樣

由551G數(shù)據(jù)所繪制的這幅三維地圖，描述了1，692，919，135顆恒星的位置和亮度，測量了其中161，497，595顆恒星的表面溫度，76，956，778顆恒星的半徑和亮度，又通過恒星視差方法測量了1，331，909，727顆恒星的運(yùn)動速度，還包括在太陽系內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的14，099個(gè)新天體。

根歐洲空間局的政策，蓋亞任務(wù)所探測到的數(shù)據(jù)會對社會開放。盡管面對這樣的海量數(shù)據(jù)，可能只有專業(yè)天文學(xué)家才會有興趣，但普通的天文學(xué)愛好者也可以登陸到一個(gè)名為“蓋亞天空”（Gaia Sky）的網(wǎng)頁，在電腦上體驗(yàn)到視覺化的銀河系三維地圖。

這次針對整個(gè)銀河系的探測任務(wù)，比人類此前任何一次的搜索范圍都要大了1000倍以上，而蓋亞探測器在三年內(nèi)所收集到的數(shù)據(jù)就已經(jīng)超過了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在21年內(nèi)收集到的數(shù)據(jù)。目前學(xué)術(shù)界可能還沒有規(guī)劃好如何利用這些海量的數(shù)據(jù)，但從歐洲空間局已經(jīng)做出的一些發(fā)現(xiàn)來看，蓋亞任務(wù)必將對人類天文學(xué)研究產(chǎn)生根本性的影響，人類對銀河系的形成歷史將會有更清晰的認(rèn)識。

蓋亞任務(wù)的前身算是歐洲空間局在1989到1993年間的“依巴谷任務(wù)”（Hipparcos mission）。依巴谷衛(wèi)星在幾年的時(shí)間里確認(rèn)了超過10萬個(gè)天體的位置，另外還對超過100萬個(gè)天體進(jìn)行了不太精確的測量。在2001年，歐洲空間局在眾多提議中選定了蓋亞任務(wù)，然后這個(gè)由法國和英國幾家公司合作制造的飛行器作為一個(gè)價(jià)值10億歐元的太空探測項(xiàng)目的一部分，在2013年12月19日升空。這個(gè)重達(dá)2噸的探測器從2014年7月開始收集數(shù)據(jù)，它在穩(wěn)定的太陽軌道上對每一個(gè)探測目標(biāo)都進(jìn)行了70次測量，以此獲得精確的探測結(jié)果。

丹麥天文學(xué)家赫茨普龍

對整個(gè)銀河系內(nèi)1%的天體的精確測量，這樣的天文學(xué)大工程將要改變的是天文學(xué)的基礎(chǔ)。通過掌握銀河系的整體結(jié)構(gòu)，人類就有機(jī)會真正了解銀河系由各個(gè)小星系碰撞合并而成的具體過程，也會理解恒星在漫長的時(shí)間里由星際間氣體逐漸聚合而成，最終在天空中被點(diǎn)亮的過程。

通過蓋亞探測器獲得的數(shù)據(jù)，也會使赫羅圖（Hertzsprung-Russell diagram）的精度大大提高。所謂赫羅圖，是以20世紀(jì)初兩位天文學(xué)家，丹麥天文學(xué)家赫茨普龍（Ejnar Hertzsprung）和美國天文學(xué)家羅素（Henry Norris Russell）命名的，以恒星光譜類型和亮度的關(guān)系來研究恒星數(shù)量和演化的圖表。根據(jù)蓋亞探測器的數(shù)據(jù)所繪制的新赫羅圖，會以5000光年以內(nèi)的400萬顆恒星的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，必將揭示更多的新內(nèi)容。

在探測過程中，蓋亞探測器每天都會把數(shù)據(jù)發(fā)回到歐洲空間局位于西班牙、澳大利亞或是阿根廷的三個(gè)地面基站之一。依靠著蓋亞的工作，歐洲空間局在2016年第一次發(fā)布了包含有200萬顆恒星的距離和運(yùn)動速度的數(shù)據(jù)——這樣的探測精度相當(dāng)于在地球表面觀測月球表面上的一枚硬幣。而在蓋亞任務(wù)最新發(fā)布的第一張全天地圖中，不僅包含了銀河系中的恒星，還有銀河系鄰近的一些星系，例如大麥哲倫星云和三角座星系，還有銀河系最大的鄰居，仙女座星系。目前這張地圖的精度已經(jīng)足以讓天文學(xué)家們對于單個(gè)恒星進(jìn)行研究，而它的精度還會隨著蓋亞探測器的工作而進(jìn)一步提高。

蓋亞探測器在太陽軌道上進(jìn)行探測的過程中，通過“恒星視差”（stellar parallax）方法來判斷目標(biāo)與地球之間的距離。所謂恒星視差是通過在軌道的不同位置上觀察同一個(gè)恒星出現(xiàn)的位置來判斷該恒星與地球的距離，而這種方法也有可能為目前人類在太空測距方面出現(xiàn)分歧的兩種方法，“標(biāo)準(zhǔn)燭光”（standard candle）方法和利用宇宙微波背景輻射進(jìn)行測距方法所產(chǎn)生的分歧進(jìn)行裁決。實(shí)際上直到1838年，才第一次由天文學(xué)家弗里德里?！へ惾麪枺‵riedrich Bessel）利用恒星視差法對臨近的恒星天鵝座61（61 Cygni）進(jìn)行測量，而直到1990年，天文學(xué)家們也只利用恒星視差法測量了800顆恒星。直到進(jìn)入90年代，依巴谷任務(wù)利用這一方法測量了50，000顆恒星，而后的蓋亞任務(wù)則把這個(gè)數(shù)字?jǐn)U大到了10億顆以上。

蓋亞的工作還遠(yuǎn)沒有結(jié)束，這個(gè)裝備了兩個(gè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和三個(gè)科學(xué)儀器的太空探測器將繼續(xù)探測銀河系中的星光，測量和分析恒星的距離和光譜，表面溫度，并且記錄太陽系附近的小行星，發(fā)現(xiàn)各種各樣的新天體，例如地外行星和褐矮星，研究各種類星體，尋找在銀河系形成過程中的小星系的殘骸，研究銀河系中暗物質(zhì)的分布，并且對廣義相對論進(jìn)行最嚴(yán)格的測試。蓋亞最后一次發(fā)布探測數(shù)據(jù)將是在2023年，到時(shí)天文學(xué)家將會挑選出200萬顆恒星的視差探測數(shù)據(jù)與之前的探測數(shù)據(jù)相比較，以得出更精確的數(shù)字。

美國天文學(xué)家亨利·羅素

宇宙中有多少顆地球？

除了歐洲空間局的蓋亞任務(wù)，在美國，另一個(gè)試圖繪制星圖的計(jì)劃剛剛開始。只不過這個(gè)計(jì)劃所要繪制的天體地圖并非發(fā)光的恒星，而是圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星。

2018年4月18日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的一個(gè)獵鷹9號運(yùn)載火箭，搭載著美國航空航天局（NASA）的凌日系外行星行星巡天衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）升空。這顆由麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們研制的價(jià)值3.37億美元的衛(wèi)星在升空之后，目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)至少50顆體積與地球相似，在太陽系附近，有可能孕育或容納生命形式的巖石行星。

美國航空航天局此次發(fā)射的TESS衛(wèi)星，可以看做是為了計(jì)劃在2020年發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Talescope）而做的前期準(zhǔn)備。TESS衛(wèi)星將會記錄它所發(fā)現(xiàn)的類地行星的位置，以便于詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在升空之后對其進(jìn)行細(xì)致研究，并讓位于地面上的望遠(yuǎn)鏡檢查它們的大氣層成分，尋找有可能適合人類生存的太陽系外行星。

在成功發(fā)射升空之后，TESS衛(wèi)星需要大約兩個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整才能開始工作。它首先需要花費(fèi)幾周時(shí)間遠(yuǎn)離地球，使自己和地球之間的距離與月球和地球之間的距離相同，然后再利用月球的引力來調(diào)整自身軌道。它與地球之間的距離會在40萬公里至100萬公里之間，而每當(dāng)接近地球時(shí)，TESS衛(wèi)星就會開啟自身的天線，向地球傳輸數(shù)據(jù)。

美國航空航天局在2009年發(fā)射了開普勒太空望遠(yuǎn)鏡用以尋找地外行星。經(jīng)過9年的工作，開普勒太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了超過2600顆地外行星，在開普勒計(jì)劃（Kepler Mission）即將結(jié)束之際TESS衛(wèi)星升空，因此TESS衛(wèi)星很容易被當(dāng)成開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的繼任者。實(shí)際上這兩者還是有著很大不同，開普勒計(jì)劃的目標(biāo)在于探索宇宙中與地球相似的行星究竟有多么普遍，而TESS計(jì)劃則是要尋找太陽系臨近的，與地球相似，擁有大氣層的巖石行星的具體位置。另一方面，開普勒太空望遠(yuǎn)鏡只搜尋了1/400的天空，它探索的距離為3000光年，而TESS衛(wèi)星則會進(jìn)行全天的搜尋，其探索的距離也相對更近，只有300光年。

作為第一個(gè)在全天進(jìn)行搜尋地外行星的衛(wèi)星，TESS衛(wèi)星的方法和開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的方式相似，都是通過觀察行星凌日時(shí)因?yàn)檎趽趿撕阈枪饩€，造成恒星光線的閃爍來發(fā)現(xiàn)行星的存在。與蓋亞任務(wù)類似，TESS衛(wèi)星也將獲得海量的數(shù)據(jù)。在兩年的時(shí)間里，TESS衛(wèi)星將會探測大約200萬顆恒星的亮度。根據(jù)目前天文學(xué)家對于行星的認(rèn)識，平均每顆恒星都有一顆行星，那么TESS衛(wèi)星將會發(fā)現(xiàn)數(shù)以百萬記的行星，存儲海量數(shù)據(jù)。

2014年12月19日，NASA公布了開普勒太空望遠(yuǎn)鏡效果圖

TESS衛(wèi)星首先會探測太陽系附近常見的紅矮星（red dwarf），這也是銀河系中最常見的恒星。紅矮星的質(zhì)量大多不到太陽質(zhì)量的一半，看上去不會太過明亮，因此相對更容易發(fā)現(xiàn)在它們周圍運(yùn)轉(zhuǎn)的行星，圍繞紅矮星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星也更有可能擁有良好的氣候條件。而通過行星凌日的方法，在發(fā)現(xiàn)了圍繞紅矮星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星之后，TESS衛(wèi)星無法探測行星的質(zhì)量和組成成分，這就只能在它完成初步的發(fā)現(xiàn)之后，交由位于地面上的望遠(yuǎn)鏡來做進(jìn)一步的探測了。

地球上的科學(xué)家通過分析恒星的光線因?yàn)槭艿狡湫行堑挠绊懚霈F(xiàn)的周期性的多普勒移，可以推斷出行星的質(zhì)量，再由此則可以推斷其組成成分。而TESS衛(wèi)星的主要探測目標(biāo)并不在于發(fā)現(xiàn)行星的數(shù)量而在質(zhì)量。在TESS衛(wèi)星可能探測到的5000個(gè)信號中，天文學(xué)家們將會挑選出一些最清晰的信號交給地面上的望遠(yuǎn)鏡和詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行更細(xì)致的研究，最終會選出50顆行星作為重點(diǎn)研究目標(biāo)。

盡管在紅矮星附近的行星最容易探測，但紅矮星容易爆發(fā)出致命的輻射，而且因?yàn)榫嚯x恒星過近，紅矮星周圍的行星也更容易因?yàn)楹阈堑囊Χ怀毕i定（tidally locked，行星的一面在引力作用下總是朝向恒星），因此紅矮星周圍的行星可能并不容易衍生出生命，TESS衛(wèi)星的目標(biāo)也并不止于此，300光年之內(nèi)的行星都將是它的探測對象。

有關(guān)理想，也有關(guān)生存

通過觀察天體來了解宇宙，進(jìn)而了解自身，這種能力或是蟲洞似乎是人類的本能。在文明的開端，人類希望通過觀測和想象，希望通過天空中恒星構(gòu)成的各種圖形來預(yù)測自己未來的吉兇;在現(xiàn)代，人類則通過各種衛(wèi)星和望遠(yuǎn)鏡，通過觀察星光來理解自身在宇宙中的位置，這有關(guān)理想，也有關(guān)生存。

地球是人類唯一的家園，但科學(xué)越是發(fā)達(dá)，人類就越是意識到在地球上生活的重重危險(xiǎn)。地球上的生命總會遭遇周期性的大滅絕，如果永遠(yuǎn)在地球上生存，這似乎也將是人類無法避免的命運(yùn)。就連太陽，也將在大約50億年后熄滅。如果人類想要在宇宙中繁衍下去，就必須對宇宙中的宜居行星有所了解。

探索的目標(biāo)也不僅是在太陽系外，地球的近鄰也是人類研究宜居行星的目標(biāo)之一。2018年5月5日，美國航空航天局在位于加州的范登堡空軍基地發(fā)射了火星探測器“洞察號”（InSight），這是人類發(fā)射的第一個(gè)裝備了地震儀，用以探測火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測器。通過利用地震儀收集到火星的地震波，人類科學(xué)家將了解火星巖石的層次和地質(zhì)結(jié)構(gòu)，再與地球進(jìn)行比較，進(jìn)而理解這些太陽系內(nèi)部的行星在40多億年前的形成過程。

從地球到火星，太陽系內(nèi)的兩個(gè)近鄰之間，一個(gè)藍(lán)色星球上充滿了生命，而另一個(gè)紅色星球則只有貧瘠和荒涼。正在旅途中的洞察號，還要大約200天的時(shí)間才會在火星表面著陸。如果與地球類似的，擁有大氣層的巖石行星在宇宙中相當(dāng)普遍，那么火星將是地球之外，人類研究類地行星的最佳目標(biāo)。研究火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也會幫助人類了解地外行星的構(gòu)成，并且縮小人類搜尋地外生命的范圍。

無論是蓋亞任務(wù)，TESS任務(wù)，還是洞察號，人類對宇宙的探索將會越來越深入，而這些從地球出發(fā)，注定一去不返的探測器，必將給人類發(fā)回眾多的驚奇，開拓我們的視野。