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顆恒星的運動速度，還包括在太陽系內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的14，099個新天體。

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名為“蓋亞天空”（Gaia Sky）的網(wǎng)頁，在電腦上體驗到視覺化的銀河系三維地圖。

這次針對整個銀河系的探測任務(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)星在幾年的時間里確認了超過10萬個天體的位置，另外還對超過100萬個天體進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)，然后這個由法國和英國幾家公司合作制造的飛行器作為一個價值10億歐元的太空探測項目的一部分，在2013年12月19日升空。這個重達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探測目標都進行了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)，人類就有機會真正了解銀河系由各個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間里由星際間氣體逐漸聚合而成，最終在天空中被點亮的過程。

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)家們對于單個恒星進行研究，而它的精度還會隨著蓋亞探測器的工作而進一步提高。

蓋亞探測器在太陽軌道上進行探測的過程中，通過“恒星視差”（stellar parallax）方法來判斷目標與地球之間的距離。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，“標準燭光”（standard candle）方法和利用宇宙微波背景輻射進行測距方法所產(chǎn)生的分歧進行裁決。實際上直到1838年，才第一次由天文學(xué)家弗里德里希·貝塞爾（Friedrich Bessel）利用恒星視差法對臨近的恒星天鵝座61（61 Cygni）進行測量，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)則把這個數(shù)字擴大到了10億顆以上。

蓋亞的工作還遠沒有結(jié)束，這個裝備了兩個光學(xué)望遠鏡和三個科學(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行最嚴格的測試。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，另一個試圖繪制星圖的計劃剛剛開始。只不過這個計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）的一個獵鷹9號運載火箭，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)家們研制的價值3.37億美元的衛(wèi)星在升空之后，目標是發(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，可以看做是為了計劃在2020年發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Talescope）而做的前期準備。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·韋伯太空望遠鏡在升空之后對其進行細致研究，并讓位于地面上的望遠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)星需要大約兩個月的時間進行調(diào)整才能開始工作。它首先需要花費幾周時間遠離地球，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，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鏡用以尋找地外行星。經(jīng)過9年的工作，開普勒太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)了超過2600顆地外行星，在開普勒計劃（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)成開普勒太空望遠鏡的繼任者。實際上這兩者還是有著很大不同，開普勒計劃的目標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。

作為第一個在全天進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鏡的方式相似，都是通過觀察行星凌日時因為遮擋了恒星光線，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)在它們周圍運轉(zhuǎn)的行星，圍繞紅矮星運轉(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鏡來做進一步的探測了。

地球上的科學(xué)家通過分析恒星的光線因為受到其行星的影響而出現(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鏡和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡進行更細致的研究，最終會選出50顆行星作為重點研究目標。

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，而且因為距離恒星過近，紅矮星周圍的行星也更容易因為恒星的引力而被潮汐鎖定（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，人類就越是意識到在地球上生活的重重危險。地球上的生命總會遭遇周期性的大滅絕，如果永遠在地球上生存，這似乎也將是人類無法避免的命運。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)，再與地球進行比較，進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)的兩個近鄰之間，一個藍色星球上充滿了生命，而另一個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。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。