前所未有的銀河系畫像

從來沒有哪臺望遠(yuǎn)鏡像蓋亞（Gaia）這樣具有如此強大的記錄星空的能力，基于蓋亞的觀測數(shù)據(jù)，歐洲空間局發(fā)布了史無前例的銀河系三維彩色圖像，從而刷新了我們對于銀河系和宇宙的認(rèn)識。

南方周末特約撰稿 鞠強

在沒有望遠(yuǎn)鏡的年代里，天上“流動的河流”曾激發(fā)起無數(shù)人的遐想，但人類只能靠肉眼去辨識星星。四百年來，望遠(yuǎn)鏡技術(shù)不斷進步，我們認(rèn)識宇宙的視野也隨之拓展，但從未有哪臺望遠(yuǎn)鏡像歐洲空間局（ESA）的蓋亞太空望遠(yuǎn)鏡（Gaia）這樣具備如此強大的記錄星空的能力。得益于蓋亞的觀測數(shù)據(jù)，歐洲空間局發(fā)布了史無前例的銀河系三維彩色圖像，從而刷新了我們對于銀河系和宇宙的認(rèn)識。在這絢爛的圖像背后，我們也看到了解決很多涉及銀河系的起源、結(jié)構(gòu)和演化歷史的問題的曙光。

蓋亞升空

2018年4月25日，全世界天文學(xué)界的目光都投向了柏林，因為在這一天，歐洲空間局在柏林召開新聞發(fā)布會，發(fā)布蓋亞第二批觀測數(shù)據(jù)（GAIA DR2）。這不是蓋亞第一次成為主角，在此之前，蓋亞團隊曾于2016年9月14日進行過第一次數(shù)據(jù)發(fā)布（GAIA DR1），當(dāng)時一系列成果發(fā)表在《天文學(xué)和天體物理學(xué)》（Astronomy and Astrophysics）上。第一次發(fā)布的是從2014年7月到2015年9月觀測到的數(shù)據(jù)。在這個時間段內(nèi)，蓋亞對超過11.4億顆恒星進行了觀測。天文學(xué)家根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)繪制了全天星圖。

第一次觀測數(shù)據(jù)發(fā)布的時候，天文學(xué)家已經(jīng)對蓋亞的觀測結(jié)果感到驚訝，而這次發(fā)布的數(shù)據(jù)更加令人激動，包括16.9億顆恒星的位置及亮度數(shù)據(jù)、13.3億顆恒星的視差和自行數(shù)據(jù)、13.8億顆恒星的顏色、1.6億顆恒星的表面溫度、7700萬顆恒星的半徑和光度以及720萬顆恒星的徑向速度等。

這次蓋亞發(fā)布的成果中，最直觀的就是根據(jù)蓋亞獲得的數(shù)據(jù)繪制的銀河系及鄰近星系的全天彩色圖像。與根據(jù)第一次發(fā)布的數(shù)據(jù)繪制的星圖相比，這次由于獲得了恒星的顏色信息，因此可以得到彩色的圖像。同時由于觀測到的恒星數(shù)量的大幅增加，此前一些看上去有些空曠的區(qū)域也得到了填充，全天星圖更加完整。

這次發(fā)布的數(shù)據(jù)是蓋亞從2014年7月到2016年5月這段時間觀測獲得的。與上次發(fā)布不同的是，這次發(fā)布的數(shù)據(jù)不僅觀測時間段更長，而且是由蓋亞獨立完成的，而第一次發(fā)布的數(shù)據(jù)除了蓋亞自身的工作外，還借助了歐洲空間局的依巴谷天體測量衛(wèi)星（Hipparcos satellite）的數(shù)據(jù)和其他地基觀測的數(shù)據(jù)。

依巴谷是第一顆測量恒星位置的衛(wèi)星，于1989年發(fā)射升空，一直工作到1993年。作為恒星測量的先驅(qū)，它對大約11.8萬顆恒星進行了高精度測量，并對超過200萬顆恒星進行了較低精度的位置測量。正如在蓋亞第一次發(fā)布數(shù)據(jù)時起到的作用，依巴谷的數(shù)據(jù)被天文學(xué)界廣泛使用：不僅幫助天文學(xué)家預(yù)測了1994年蘇梅克-列維9號彗星撞擊木星的事件，還揭示出銀河系曾經(jīng)在數(shù)十億年前吞噬過大量的恒星。

在測量恒星的征途上，蓋亞作為依巴谷的繼任者，各方面的性能都得到了顯著的提升。例如，蓋亞主鏡的接收面積更大，收集到的光線的量達(dá)到依巴谷的30倍，從而可以完成更準(zhǔn)確的測量——蓋亞測量恒星位置和運動的精度是依巴谷的200倍。

同每一項取得重要成果的天文學(xué)研究一樣，蓋亞獲得動輒數(shù)以億計的海量數(shù)據(jù)也不是一蹴而就，而是二十多年工作厚積薄發(fā)的結(jié)果。歐洲空間局在1984年著手啟動名為“視野2000”（Horizon 2000）的計劃，旨在資助一些重要的空間科學(xué)項目，羅塞塔號和卡西尼-惠更斯探測器都是這個計劃的組成部分；隨后歐洲空間局又發(fā)起了“視野2000+”（Horizon 2000+）計劃，蓋亞以及作為LISA引力波天文臺測試任務(wù)的LISA探路者（LISA Pathfinder）都屬于后者。

1993年10月，瑞典隆德大學(xué)的萊納特·林德格倫（Lennart Lindegren）和歐洲空間局的邁克爾·佩里曼（Michael Perryman）最早提出了蓋亞這個項目，以滿足歐洲空間局當(dāng)時對下一代恒星探測器的需要。蓋亞（Gaia）這個名字最早是“天體物理全球天文干涉儀”（Global Astrometric Interferometer for Astrophysics）的首字母縮寫詞，這體現(xiàn)出在設(shè)計之初，干涉測量法曾經(jīng)被計劃應(yīng)用在蓋亞上。隨著研究中技術(shù)的進步和方法的改進，用這個縮寫詞描述該項目已經(jīng)不再準(zhǔn)確，但考慮到計劃的延續(xù)性，Gaia這個詞還是被保留下來。在古希臘神話中，蓋亞是大地之神；這一次，大地之神被賦予注視星空的重任。

2013年12月19日，蓋亞在法屬圭亞那庫魯發(fā)射基地由俄羅斯的聯(lián)盟號運載飛船搭載升空。2014年1月8日，蓋亞成功到達(dá)距離地球大約150萬千米的日地系統(tǒng)第二拉格朗日點附近。在這個位置上，蓋亞受到太陽和地球引力的共同作用，能保持相對靜止，消耗較少的燃料即可完成長期駐留，同時這個位置的溫度環(huán)境也比較穩(wěn)定，因此是探測器和太空望遠(yuǎn)鏡工作的理想位置，計劃接替哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡也將工作在這個位置。

2014年7月25日，蓋亞正式開始為期5年的觀測工作，這也是兩次發(fā)布的蓋亞數(shù)據(jù)的起始點。在此期間，蓋亞的運行由位于德國達(dá)姆斯塔特的歐洲空間控制中心通過位于西班牙、阿根廷和澳大利亞的3個基站來操控，其上搭載的科學(xué)儀器的管理工作則由位于西班牙維拉弗蘭卡的歐洲空間天文學(xué)中心來完成。這些儀器主要完成三個方面的測量：一是天體幾何學(xué)，用以確定恒星的位置和運動；二是光度學(xué)，用以測量恒星的顏色；三是光譜學(xué)，用以測量恒星的徑向速度，同時弄清這些恒星的組成成分。

蓋亞的核心器件是一臺10億像素的CCD探測器，這是有史以來在太空中使用過的像素最高的相機，賦予它記錄星空的強大能力。它搭載的2臺望遠(yuǎn)鏡對天空進行掃描，每分鐘大概可以觀測10萬顆恒星。這樣在這次發(fā)布的數(shù)據(jù)觀測周期內(nèi)，蓋亞一共完成了大約1000億次恒星觀測記錄。由于每顆恒星會被觀測70次左右，因此最終觀測到的恒星數(shù)量是16.9億顆。此外，蓋亞的重要部件還包括它的遮陽板。這塊直徑10米的遮陽板一直面向太陽，這樣既可以使所有器件保持在-100℃的適宜工作溫度下，又能利用板上的太陽能電池為蓋亞提供能量。

數(shù)據(jù)的盛宴

4月19日，歐洲空間局發(fā)布消息，預(yù)告了4月25日召開的發(fā)布會并邀請媒體參加。而在消息發(fā)布之前，很多天文學(xué)家其實就已經(jīng)對這次數(shù)據(jù)發(fā)布翹首以盼。發(fā)布會雖然時長只有2個小時，但是卻承載了很多天文學(xué)家的希望，因為歐洲空間局這次發(fā)布的海量數(shù)據(jù)，將會為許多天文學(xué)家正在和即將開展的研究提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

新聞發(fā)布會上，意大利帕多瓦天文臺的天文學(xué)家安托內(nèi)拉·瓦萊納里（Antonella Vallenari）就簡要介紹了目前蓋亞已經(jīng)可以展示的科學(xué)成果。舉例來說，我們現(xiàn)在可以確定在距離地球5000光年的范圍內(nèi)的超過400萬顆恒星的顏色和光度。把這兩個量繪制到圖表上，我們就可以得到在天文學(xué)研究中有重要意義的赫羅圖（Hertzsprung-Russell diagram）。天文學(xué)家根據(jù)這張赫羅圖就可以分析這些恒星在生命周期中各個階段的特征，由此更好地理解恒星的形成和演化機制。

蓋亞團隊還研究了在銀河系附近繞銀河系旋轉(zhuǎn)的12個矮星系和75個球狀星團中的恒星的運動。他們的觀測可以加深對銀河系如何形成、甚至是暗物質(zhì)如何環(huán)繞銀河系的了解。而對銀河系內(nèi)恒星運動的精確測量數(shù)據(jù)，也會使我們更好地掌握暗物質(zhì)在銀河系內(nèi)的分布情況。迄今為止，我們還沒有在地球上的實驗中觀察到暗物質(zhì)，一個可能的原因就是暗物質(zhì)在太陽系的范圍內(nèi)分布量太少。

由于地球繞太陽公轉(zhuǎn)，因此在一年中，我們觀察其他恒星會產(chǎn)生略微不同的角度，這使得恒星呈現(xiàn)出以平均位置為中心的微小的橢圓運動。這種現(xiàn)象被稱作視差。從幾何學(xué)的角度考慮，由于天文學(xué)家知道日地之間的距離，所以視差提供了測量地球到恒星距離的方法。恒星距離地球越遠(yuǎn)，視差越小，也就越難測量。由于大氣湍流效應(yīng)會導(dǎo)致恒星產(chǎn)生“搖擺”的現(xiàn)象，因此地基測量視差有很大的局限性，距離地球幾十光年以上的恒星的視差都需要在太空中測量。蓋亞是有史以來設(shè)計建造的最精密的測量恒星視差的設(shè)備，使得天文學(xué)家可以獲得恒星與地球之間距離的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

與此同時，蓋亞還確定了50萬個類星體的位置，星系中心的巨大黑洞使得這些類星體異常明亮。這些類星體距離地球非常遙遠(yuǎn)，以至于它們的視差幾乎為零，這樣天文學(xué)家就可以以它們?yōu)閰⒄瘴锝⒁粋€更加可靠的星系坐標(biāo)系統(tǒng)，以此來確定宇宙中所有物體的位置，就像是宇宙中的GPS一樣。定位精度提高的一個具體的應(yīng)用是星際導(dǎo)航。目前，人類發(fā)射的探測器正在太陽系中漫游，比如美國國家航空航天局（NASA）的新視野號（New Horizon）在2015年完成飛掠冥王星后，正在飛往柯伊伯帶，預(yù)計于2019年新年完成下一次飛掠，目標(biāo)是2014MU69。在這個過程中，精確的星際導(dǎo)航就顯得尤為重要。

天文學(xué)家根據(jù)蓋亞的數(shù)據(jù)測量出720萬顆恒星的徑向速度（它們向地球運動或者遠(yuǎn)離地球的速度），意味著我們了解到它們在銀河系中以多快的速度運動并且知道它們運動的方向，這將有助于我們更好地了解銀河系動力學(xué)。蓋亞數(shù)據(jù)處理和分析聯(lián)盟（DPAC）成員、荷蘭萊頓大學(xué)的安東尼·布朗（Anthony Brown）在新聞發(fā)布會上就表示：“這是一項了不起的新成就?！盌PAC成立于2006年，由來自超過20個國家的天文學(xué)家和軟件工程師組成，負(fù)責(zé)蓋亞的海量數(shù)據(jù)處理工作，并將編制出完整的恒星目錄。

此外，蓋亞還測量了超過14000個太陽系內(nèi)物體的位置和軌跡，其中大部分是小行星。雖然包括小行星在內(nèi)的太陽系內(nèi)天體并不是蓋亞觀測的重點，但是由于蓋亞的觀測精度大概是地面觀測的1000倍左右，因此這是為研究小行星的天文學(xué)家?guī)淼奶貏e禮物。

今年3月，蓋亞團隊發(fā)布消息稱2月的時候蓋亞服務(wù)模塊2個電子元件出現(xiàn)錯誤，使蓋亞啟動了自動安全模式。隨后經(jīng)過檢查，蓋亞恢復(fù)正常并繼續(xù)進行科學(xué)觀測。項目團隊也在繼續(xù)進行調(diào)查，希望能夠找到引起異常的準(zhǔn)確原因。到目前為止，蓋亞已經(jīng)收集了第三次發(fā)布所需要的數(shù)據(jù)。根據(jù)計劃，蓋亞還有數(shù)據(jù)的第四次發(fā)布。在完成預(yù)定的5年觀測任務(wù)期后，蓋亞的任務(wù)期有望延長1-4年，因此未來的數(shù)據(jù)發(fā)布情況，將視屆時蓋亞的運行情況而定。最終的蓋亞數(shù)據(jù)集預(yù)計將在2022年年底發(fā)布。

蓋亞這一次獲得了對近17億顆恒星的觀測數(shù)據(jù)，這個數(shù)字僅僅比我們銀河系中的恒星數(shù)的1%多一點點而已——天文學(xué)家估計銀河系中有大約1000億顆恒星。盡管如此，我們?nèi)匀幌嘈?，這一次蓋亞發(fā)布的數(shù)據(jù)是我們認(rèn)識銀河系的里程碑事件。對很多天文學(xué)家來說，2018年4月25日是一個值得紀(jì)念的日子，也許他們真正的職業(yè)生涯從這一天開始，也許他們未來的整個研究生涯都會與此相伴。

在可以預(yù)見的未來，蓋亞獲得的數(shù)據(jù)將是我們所能得到的最完整的恒星數(shù)據(jù)，并在天文學(xué)的很多領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮決定性的作用。在未來數(shù)年甚至數(shù)十年的時間里，也許需要幾代天文學(xué)家齊心協(xié)力才能充分挖掘出數(shù)據(jù)中的財富，將更加真實也更加深刻的宇宙圖景展現(xiàn)在我們的面前。在第一次抬頭望向星空的數(shù)百萬年后，我們這個物種對星空的壯麗仍然執(zhí)著，從不會感到厭倦。