□ 瑞典隆德大學(xué) 劉 成

“蓋亞”
——銀河系億萬天體巡天器

□ 瑞典隆德大學(xué) 劉 成

藝術(shù)圖：“蓋亞”與銀河系（版權(quán)：ESA）

宏偉計劃

測量天體的位置、距離和空間運動是天文學(xué)研究中最基本的任務(wù)，而且已經(jīng)持續(xù)了幾個世紀(jì)。天體物理學(xué)參量的估計直接或者間接地依賴于它們的測量。恒星的絕對物理量，如恒星光度、半徑和質(zhì)量，直接取決于距離的測量。通過測量自行（即恒星運動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動。它能幫助我們知道當(dāng)前銀河系的運動和動力學(xué)性質(zhì)，從而使我們回溯整個銀河系的演化歷史。

人類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量了地球到太陽與地球到月亮的相對距離，以此來支持日心假說。早在1609年，伽利略就第一次嘗試用望遠(yuǎn)鏡觀測視差，但是沒有成功。（視差是由于地球繞太陽公轉(zhuǎn)使得我們在不同季節(jié)以不同視角看到恒星在天空中位置的微小變化。視差是個角度量，跟距離成反比，簡單換算成距離是1角秒等于3.26光年。）一直到1838年才由三位天文學(xué)家分別獨立地測量到視差。相對于歷史悠久的天體位置和距離的測量，天體自行在1718年首先被英國天文學(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（1度等于3600角秒）。

于是，天文學(xué)家不斷建造更大的望遠(yuǎn)鏡去觀測和記錄它們。因為地球大氣抖動的干擾，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，將極大提高對天體的角分辨率測量。基于對恒星距離和空間速度精確測量的巨大需要，歐洲空間局第一顆天體測量衛(wèi)星依巴谷衛(wèi)星（Hipparcos），于1989年8月升空。依巴谷衛(wèi)星在不到四年時間里精確測量了10萬多顆恒星的自行和三角視差。由于沒有地球大氣的干擾，測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)至少在三個領(lǐng)域取得巨大成功。

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

2 利用精確測量到的距離，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太陽臨近空間內(nèi)恒星運動和動力學(xué)的理解，包括對整個銀河系動力學(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了空間天體測量后續(xù)計劃——蓋亞衛(wèi)星（Gaia）。在5～6年的時間里，蓋亞衛(wèi)星將要測量10億顆恒星以及其他特殊天體，測量的精度將比依巴谷衛(wèi)星提高200多倍。對于比較明亮的恒星，距離測量的誤差將會小于10個微角秒。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光和高分辨率光譜。一個令人振奮的消息是，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的范圍以及可能獲得的觀測結(jié)果，同時預(yù)測了在不同距離所能得到的測量精度。（版權(quán)： ESA）

科學(xué)目標(biāo)

到目前為止，我們知道整個銀河系由旋臂、銀盤、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銀河系中，包括年齡、空間、繞銀河系運動的軌道和化學(xué)元素豐度等。我們知道恒星分布直接與整個星系的引力勢、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動。天體測量則唯一地提供了不依賴于理論模型的天體距離和運動學(xué)信息。另外，光度測光和視向速度光譜測量正好填補(bǔ)我們對觀測天體所要知道的全部信息。

于是，通過對大范圍內(nèi)億萬顆恒星的探尋，蓋亞衛(wèi)星將幫助我們回答關(guān)于銀河系的三個最重要的問題：

1恒星是從什么時間開始形成的？

2銀河系是在什么時間并且通過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？

第一和第二個問題緊密聯(lián)系在一起。具體來說，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。目前對于類似于銀河系這樣的大星系，主流的觀點是通過等級成團(tuán)形成，即一個中心星系不斷通過吸積周圍的矮星系而壯大。但是在這樣的理論框架下，我們還不清楚恒星是否在一個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，或者是在某個暗物質(zhì)強(qiáng)引力場吸積到足夠多的氣體后再促發(fā)恒星的形成？在一個原初星系形成后，是什么力量決定它隨后形成一個旋渦星系或者橢球星系？通過不同的觀測手段，我們知道目前銀河系每年誕生大概3個太陽質(zhì)量的恒星，但是我們對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，還是在不同的時期有非常不一樣的形成歷史？另外，在整個銀河系形成與演化的歷史過程中，暗物質(zhì)是如何分布、通過怎樣的方式與可見物質(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？好在通過對觀測數(shù)據(jù)的分析以及與理論模型的對比，一方面不僅能極大地提高我們對整個銀河系形成與演化的了解，更好地回答前面的問題，另一方面還能夠使得我們利用銀河系作為一個橋梁更加深入地研究其他星系以及整個宇宙。

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現(xiàn)三種不同的功能，包括天體測量儀、光度測光儀和視向速度光譜儀。但是實際上，以上三個功能被整合在一整套儀器中，它們共用兩個望遠(yuǎn)鏡和一個焦平面。望遠(yuǎn)鏡的主鏡M1（右圖）是一塊1.45m×0.5m鍍銀的長方形反射鏡, 相當(dāng)于一個有效直徑為1米的望遠(yuǎn)鏡，視場約是0.45平方度。而焦平面上則布滿106塊CCD，總共約有10億個像素。

空間望遠(yuǎn)鏡有一個特別的好處就是能夠全方位、全天空觀測。如果我們想要測量多達(dá)10億個天體，用望遠(yuǎn)鏡連續(xù)不斷地掃描天空會是一個有效的辦法。蓋亞衛(wèi)星被設(shè)定有一個恒定為6個小時的自轉(zhuǎn)周期，而且衛(wèi)星自轉(zhuǎn)軸在地球到太陽方向上還有一個63天的歲差運動。衛(wèi)星自轉(zhuǎn)軸與太陽方向有45度的夾角。再考慮衛(wèi)星跟隨地球一起繞太陽運動，因此在整個5年的觀測中，全天空能被平均掃描70次左右，測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，通過在一個夾角很大的兩個不同方向連續(xù)掃描將能夠取得足夠高的測量精度，并且最重要的是能夠獲得恒星的絕對距離。因此蓋亞采用了同樣的觀測手段，兩個不同方向的夾角達(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)，這樣從兩個不同方向來的光將聚焦在同一個焦平面。由于采用了更大的夾角和望遠(yuǎn)鏡，對于視星等小于15等的恒星，距離和自行的測量精度也能達(dá)到10微角秒。另外蓋亞的天體測量極限視星等是20等。通過地面的數(shù)據(jù)處理，對于每個恒星，我們都能得到它的五個天體測量量：二維天球坐標(biāo)、視差和兩個方向的自行。

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)一束光從一個窗口進(jìn)入，通過反射鏡M1反射到M2上，之后由M2反射到M3，再經(jīng)過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焦平面，另外106個CCD探測器布置在焦平面上。（版權(quán)： CNES）

圖片來源網(wǎng)絡(luò)

同時準(zhǔn)確的視向速度和多色光度測光也是蓋亞的重要觀測任務(wù)，它們和天體測量共用望遠(yuǎn)鏡和焦平面。通過測量天體光譜能譜的多色測光，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。蓋亞對兩個低分辨率光譜的積分，將幫助我們獲得藍(lán)端和紅端的兩個寬帶測光。它們的波長覆蓋分別是330～680納米和640～1050納米。每個波段都有7個CCD接收光子，光度測光設(shè)備后面接著的12個CCD會接收用來測量視向速度的光譜。被觀測的明亮恒星目標(biāo)都是從之前的多色測光中挑選出的。我們知道，恒星的視向速度只能通過測量光譜的譜線獲得。所以蓋亞的光譜儀被設(shè)計成在很窄的波長范圍（847～874納米）里能獲得非常高的分辨率，約為11500。因此對于視星等小于15等的恒星，視向速度的測量精度能達(dá)到5km／s。所有觀測數(shù)據(jù)結(jié)合起來，對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最主要的問題外，蓋亞還能幫助我們在以下三個領(lǐng)域中取得重要進(jìn)展。

1.首先，恒星演化模型描述了一個恒星的各種物理成分和內(nèi)部反應(yīng)過程隨著年齡的演化，并預(yù)測出我們能觀測到的物理量，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)對恒星演化中的一般物理過程很了解，特別是對于類太陽恒星，理論預(yù)測與觀測已經(jīng)非常吻合，但是對于超大質(zhì)量恒星、褐矮星以及漸近支巨星（AGB星）的實際觀測與理論預(yù)測在赫羅圖（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，并通過對比不同質(zhì)量恒星的理論演化曲線和恒星實際在赫羅圖上的位置，這將會使我們在估計恒星內(nèi)部對流核、外部對流區(qū)和內(nèi)部元素擴(kuò)散問題時取得重要突破。

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)成千上萬顆新的在火星和木星之間的小行星，以及地球周邊上千個相對于地球高速運動的小彗星和小行星。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或者成為流星。而且，蓋亞有長達(dá)5年，甚至6年的時間測量它們的位置和速度，我們將很容易就能計算出這些小天體的軌道以及質(zhì)量，從而可以準(zhǔn)確預(yù)報其對地球的威脅等級。

蓋亞兩個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，尋找太陽系外行星是當(dāng)前非常熱門的一個科學(xué)和公共目標(biāo)。在設(shè)計蓋亞之初，天文學(xué)家們就已經(jīng)考慮到了利用精確測量的位置、距離和自行尋找系外行星的任務(wù)。在測量精度達(dá)到微角秒的情況下，對于明亮的主序星，我們能明顯地發(fā)現(xiàn)一個在恒星空間運動軌跡上的擾動量。而這個擾動量就是由于行星繞恒星運動產(chǎn)生。初步估計在距離太陽大概650光年以內(nèi)，我們將能找到上萬顆類太陽的主序星，它們都將擁有至少一個類似木星大小的行星。但到目前為止，通過各種方法發(fā)現(xiàn)的系外行星大概不到2000個。除了天體測量的方法能發(fā)現(xiàn)系外行星，行星凌星的方法（即行星運動到恒星的前面遮住一部分光，使得觀測到的光變曲線存在周期性的變化）也能探測到行星的存在。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。從而可以推測行星是否是個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)鏡觀測圖片（右）對照（版權(quán)：ESA/DPAC/Airbus DS）

數(shù)據(jù)釋放

由于衛(wèi)星搭載的儀器計算能力有限，所有的觀測數(shù)據(jù)都會被下傳到地面，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外釋放的原則，不僅廣大天文工作者能夠無償使用它，而且每個天文愛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)處理是一個不斷循環(huán)的過程，隨著新的數(shù)據(jù)不斷注入，整個計算過程就要不斷地重復(fù)，不斷提高測量精度。蓋亞的數(shù)據(jù)預(yù)計會在衛(wèi)星發(fā)射后的第22個月第一次釋放。它包括天體的位置、全可見光波段的平均G星等和所有依巴谷目錄中恒星的自行。6個月后，將會第二次釋放數(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)釋放分別會在此后的第22個月和第47個月。完整的全天數(shù)據(jù)將會在衛(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CCD接收器的面板其實沒有完全處于焦平面上，但是經(jīng)過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)處于對焦?fàn)顟B(tài)。

雖然整個衛(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)隊還需解決以下幾個問題：

1 我們在地面看到蓋亞的視星等約為21等，這比預(yù)計的要暗3個星等。由于蓋亞太暗，用地面一米望遠(yuǎn)鏡每天精確測量蓋亞在天空中的位置這一最初計劃就變得無法實現(xiàn)了，因此也無法精確計算出每個觀測天體的空間位置。通過申請2米級地面望遠(yuǎn)鏡的觀測時間，并且與甚長基線干涉測量（VLBI）組的合作，目前這個問題已經(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)致整個望遠(yuǎn)鏡傳動系統(tǒng)出現(xiàn)了遲鈍，同時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)鏡觀測同一個天體得到了不同的星等。通過調(diào)整衛(wèi)星與太陽的角度，利用太陽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。太陽光通過太陽遮光板邊緣的衍射進(jìn)入到衛(wèi)星，并且可能通過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自于星空中其他明亮天體的光通過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劃已經(jīng)在緊張進(jìn)行中，希望蓋亞科學(xué)團(tuán)隊能夠給我們帶來更多好消息。