“盖亚”——银河系亿万天体巡天器

□ 瑞典隆德大学 刘 成

“盖亚”
——银河系亿万天体巡天器

□ 瑞典隆德大学 刘 成

艺术图：“盖亚”与银河系（版权：ESA）

宏伟计划

测量天体的位置、距离和空间运动是天文学研究中最基本的任务，而且已经持续了几个世纪。天体物理学参量的估计直接或者间接地依赖于它们的测量。恒星的绝对物理量，如恒星光度、半径和质量，直接取决于距离的测量。通过测量自行（即恒星运动在二维平面天空上的投影）、视向速度和距离，我们可以获得恒星的三维空间运动。它能帮助我们知道当前银河系的运动和动力学性质，从而使我们回溯整个银河系的演化历史。

人类最早用肉眼观察恒星在天空中的位置可以追溯到公元前1000年。在公元前三世纪的古希腊，第一位天文学家阿利斯塔克用三角定理的方法测量了地球到太阳与地球到月亮的相对距离，以此来支持日心假说。早在1609年，伽利略就第一次尝试用望远镜观测视差，但是没有成功。（视差是由于地球绕太阳公转使得我们在不同季节以不同视角看到恒星在天空中位置的微小变化。视差是个角度量，跟距离成反比，简单换算成距离是1角秒等于3.26光年。）一直到1838年才由三位天文学家分别独立地测量到视差。相对于历史悠久的天体位置和距离的测量，天体自行在1718年首先被英国天文学家埃德蒙·哈雷发现。由于视差和自行都很小，所以只有很少几颗恒星达到角秒和角秒/年的量级（1度等于3600角秒）。

于是，天文学家不断建造更大的望远镜去观测和记录它们。因为地球大气抖动的干扰，地面望远镜的极限角分辨率很少有小于0.5角秒。而空间望远镜不受地球大气的干扰，将极大提高对天体的角分辨率测量。基于对恒星距离和空间速度精确测量的巨大需要，欧洲空间局第一颗天体测量卫星依巴谷卫星（Hipparcos），于1989年8月升空。依巴谷卫星在不到四年时间里精确测量了10万多颗恒星的自行和三角视差。由于没有地球大气的干扰，测量的精度比地球上提高了一百多倍。

科学家利用依巴谷卫星数据至少在三个领域取得巨大成功。

1 它提供了一个精确的参考坐标系，能够让我们把所有地面望远镜的天体测量数据纳入到同一个参考系中；

2 利用精确测量到的距离，我们能够得到更全面和准确的恒星参数（有效温度、重力加速度和金属丰度），从而更好地限制现有的恒星结构和演化模型；

3 它极大地丰富了我们对太阳临近空间内恒星运动和动力学的理解，包括对整个银河系动力学的研究。

考虑到了依巴谷卫星取得的巨大成功，欧洲空间局更具雄心地推动了空间天体测量后续计划——盖亚卫星（Gaia）。在5～6年的时间里，盖亚卫星将要测量10亿颗恒星以及其他特殊天体，测量的精度将比依巴谷卫星提高200多倍。对于比较明亮的恒星，距离测量的误差将会小于10个微角秒。这相当于我们从地球上能分辨出一枚在月球上的一元钱硬币。相比依巴谷卫星，盖亚更加强大的地方在于，它不仅能够准确描绘恒星在空间的三维位置和速度，而且还能够获得恒星的光度测光和高分辨率光谱。一个令人振奋的消息是，盖亚已于去年12月19日顺利升空，并且已经顺利到达L2轨道。目前正在进行各种调试和试观测中。相信不久，“大地女神”将转入正式工作状态，并且大批量地下传数据。

本图展示了盖亚能观测的范围以及可能获得的观测结果，同时预测了在不同距离所能得到的测量精度。（版权： ESA）

科学目标

到目前为止，我们知道整个银河系由旋臂、银盘、棒状结构的核球、恒星晕和暗物质晕组成。如果不考虑暗物质晕，那么银河系的各种不同结构主要是由占绝大部分质量的恒星、行星、星际气体和尘埃，以及各种辐射混合组成。恒星以不同的方式分布在整个银河系中，包括年龄、空间、绕银河系运动的轨道和化学元素丰度等。我们知道恒星分布直接与整个星系的引力势、恒星形成率和恒星形成历史联系在一起。所以，如果想要了解银河系的结构和演化， 我们必须要观测尽可能多的恒星、足够大的空间结构和它们的三维空间运动。天体测量则唯一地提供了不依赖于理论模型的天体距离和运动学信息。另外，光度测光和视向速度光谱测量正好填补我们对观测天体所要知道的全部信息。

于是，通过对大范围内亿万颗恒星的探寻，盖亚卫星将帮助我们回答关于银河系的三个最重要的问题：

1恒星是从什么时间开始形成的？

2银河系是在什么时间并且通过怎样的方式形成今天的旋涡星系？

3暗物质是如何在银河系中分布的？

第一和第二个问题紧密联系在一起。具体来说，要回答它们，我们必须知道恒星形成历史以及星系的形成和演化。目前对于类似于银河系这样的大星系，主流的观点是通过等级成团形成，即一个中心星系不断通过吸积周围的矮星系而壮大。但是在这样的理论框架下，我们还不清楚恒星是否在一个大的星系形成之前就已经在不同小结构系统中形成，或者是在某个暗物质强引力场吸积到足够多的气体后再促发恒星的形成？在一个原初星系形成后，是什么力量决定它随后形成一个旋涡星系或者椭球星系？通过不同的观测手段，我们知道目前银河系每年诞生大概3个太阳质量的恒星，但是我们对于之前恒星的诞生率了解很有限。恒星在星系中是否是连续缓慢地形成的，还是在不同的时期有非常不一样的形成历史？另外，在整个银河系形成与演化的历史过程中，暗物质是如何分布、通过怎样的方式与可见物质相互作用，从而参与或者决定星系的演化进程，形成我们今天看到的棒旋星系？好在通过对观测数据的分析以及与理论模型的对比，一方面不仅能极大地提高我们对整个银河系形成与演化的了解，更好地回答前面的问题，另一方面还能够使得我们利用银河系作为一个桥梁更加深入地研究其他星系以及整个宇宙。

科学仪器

根据总体的科学目标，盖亚被要求搭载三套不同的仪器以实现三种不同的功能，包括天体测量仪、光度测光仪和视向速度光谱仪。但是实际上，以上三个功能被整合在一整套仪器中，它们共用两个望远镜和一个焦平面。望远镜的主镜M1（右图）是一块1.45m×0.5m镀银的长方形反射镜, 相当于一个有效直径为1米的望远镜，视场约是0.45平方度。而焦平面上则布满106块CCD，总共约有10亿个像素。

空间望远镜有一个特别的好处就是能够全方位、全天空观测。如果我们想要测量多达10亿个天体，用望远镜连续不断地扫描天空会是一个有效的办法。盖亚卫星被设定有一个恒定为6个小时的自转周期，而且卫星自转轴在地球到太阳方向上还有一个63天的岁差运动。卫星自转轴与太阳方向有45度的夹角。再考虑卫星跟随地球一起绕太阳运动，因此在整个5年的观测中，全天空能被平均扫描70次左右，测量的精度也将随着被扫描的次数而不停提高。在此之前，依巴谷卫星已经证明，通过在一个夹角很大的两个不同方向连续扫描将能够取得足够高的测量精度，并且最重要的是能够获得恒星的绝对距离。因此盖亚采用了同样的观测手段，两个不同方向的夹角达到106度。我们可以从右图看到盖亚搭载的两套完全一样的光学望远镜系统，这样从两个不同方向来的光将聚焦在同一个焦平面。由于采用了更大的夹角和望远镜，对于视星等小于15等的恒星，距离和自行的测量精度也能达到10微角秒。另外盖亚的天体测量极限视星等是20等。通过地面的数据处理，对于每个恒星，我们都能得到它的五个天体测量量：二维天球坐标、视差和两个方向的自行。

本图展示了盖亚卫星有效载荷模块搭载的两套完全相同的望远镜系统。当一束光从一个窗口进入，通过反射镜M1反射到M2上，之后由M2反射到M3，再经过M4、M5和M6反射镜到达焦平面。在这里两束不同的光共用同一个焦平面，另外106个CCD探测器布置在焦平面上。（版权： CNES）

图片来源网络

同时准确的视向速度和多色光度测光也是盖亚的重要观测任务，它们和天体测量共用望远镜和焦平面。通过测量天体光谱能谱的多色测光，我们能够获得的恒星参量包括：光度、有效温度、质量、年龄和各种元素的丰度。盖亚对两个低分辨率光谱的积分，将帮助我们获得蓝端和红端的两个宽带测光。它们的波长覆盖分别是330～680纳米和640～1050纳米。每个波段都有7个CCD接收光子，光度测光设备后面接着的12个CCD会接收用来测量视向速度的光谱。被观测的明亮恒星目标都是从之前的多色测光中挑选出的。我们知道，恒星的视向速度只能通过测量光谱的谱线获得。所以盖亚的光谱仪被设计成在很窄的波长范围（847～874纳米）里能获得非常高的分辨率，约为11500。因此对于视星等小于15等的恒星，视向速度的测量精度能达到5km／s。所有观测数据结合起来，对每一颗恒星我们将能获得多达12维参数，包括3维空间位置、3维空间速度、绝对星等、有效温度、重力加速度、元素丰度、恒星质量和年龄。

其他研究

除了前面提到的三个最主要的问题外，盖亚还能帮助我们在以下三个领域中取得重要进展。

1.首先，恒星演化模型描述了一个恒星的各种物理成分和内部反应过程随着年龄的演化，并预测出我们能观测到的物理量，包括光度、有效温度、元素在恒星表面的丰度等。虽然我们已经对恒星演化中的一般物理过程很了解，特别是对于类太阳恒星，理论预测与观测已经非常吻合，但是对于超大质量恒星、褐矮星以及渐近支巨星（AGB星）的实际观测与理论预测在赫罗图（HR）上仍然有一定出入。随着盖亚给出准确的恒星光度、表面温度、化学成分、质量以及不同距离和方向上的消光分布，并通过对比不同质量恒星的理论演化曲线和恒星实际在赫罗图上的位置，这将会使我们在估计恒星内部对流核、外部对流区和内部元素扩散问题时取得重要突破。

2.其次，由于盖亚有到20等的极限视星等，这将使得我们能够发现成千上万颗新的在火星和木星之间的小行星，以及地球周边上千个相对于地球高速运动的小彗星和小行星。这些小天体很可能由于地球的引力牵引而与地球擦肩而过或者成为流星。而且，盖亚有长达5年，甚至6年的时间测量它们的位置和速度，我们将很容易就能计算出这些小天体的轨道以及质量，从而可以准确预报其对地球的威胁等级。

盖亚两个CCD拼接的星系M94（版权：ESA/DPAC/Airbus DS）

盖亚调焦前后拍摄的猫眼星云（版权：ESA/ DPAC/Airbus DS）

3.最后，寻找太阳系外行星是当前非常热门的一个科学和公共目标。在设计盖亚之初，天文学家们就已经考虑到了利用精确测量的位置、距离和自行寻找系外行星的任务。在测量精度达到微角秒的情况下，对于明亮的主序星，我们能明显地发现一个在恒星空间运动轨迹上的扰动量。而这个扰动量就是由于行星绕恒星运动产生。初步估计在距离太阳大概650光年以内，我们将能找到上万颗类太阳的主序星，它们都将拥有至少一个类似木星大小的行星。但到目前为止，通过各种方法发现的系外行星大概不到2000个。除了天体测量的方法能发现系外行星，行星凌星的方法（即行星运动到恒星的前面遮住一部分光，使得观测到的光变曲线存在周期性的变化）也能探测到行星的存在。结合这两种方法，就能很容易地给出行星的质量、距离、绕恒星的周期等。从而可以推测行星是否是个固体星球以及是否在宜居带内。

盖亚拍摄的NGC2516星团天区（左）与地面望远镜观测图片（右）对照（版权：ESA/DPAC/Airbus DS）

数据释放

由于卫星搭载的仪器计算能力有限，所有的观测数据都会被下传到地面，由地面超算中心并行处理。卫星搭载的106个CCD不停工作，一天能产生大概30GB的数据。因此盖亚配备有在X波段的数据下传设备，下载速度是4～8Mbps。

盖亚所有的数据将遵循分批次完全对外释放的原则，不仅广大天文工作者能够无偿使用它，而且每个天文爱好者都可以自己下载想要的数据和星图等。地面数据处理是一个不断循环的过程，随着新的数据不断注入，整个计算过程就要不断地重复，不断提高测量精度。盖亚的数据预计会在卫星发射后的第22个月第一次释放。它包括天体的位置、全可见光波段的平均G星等和所有依巴谷目录中恒星的自行。6个月后，将会第二次释放数据。除了误差更小的位置、自行、G星等，还包括明亮恒星的视向速度。第三次和第四次数据释放分别会在此后的第22个月和第47个月。完整的全天数据将会在卫星停止工作后的第三年释放。

盖亚近况

根据盖亚团队公布的最新消息，目前盖亚卫星搭载的服务模块已经全部唤醒并且正常工作，搭载的科学仪器也能正常工作了。

此前搭载有106个CCD接收器的面板其实没有完全处于焦平面上，但是经过地面控制中心利用自身携带的激光系统不断地微调望远镜的第二副镜，现在两套望远镜都已经处于对焦状态。

虽然整个卫星系统目前能够很好地工作，但是想要获得高质量的科学数据，盖亚科学团队还需解决以下几个问题：

1 我们在地面看到盖亚的视星等约为21等，这比预计的要暗3个星等。由于盖亚太暗，用地面一米望远镜每天精确测量盖亚在天空中的位置这一最初计划就变得无法实现了，因此也无法精确计算出每个观测天体的空间位置。通过申请2米级地面望远镜的观测时间，并且与甚长基线干涉测量（VLBI）组的合作，目前这个问题已经得到了初步解决。

2 由于盖亚卫星发射后，自身带有一定的水蒸气，而水蒸气结冰又导致整个望远镜传动系统出现了迟钝，同时也可能污染了其中一套望远镜的主镜，使得两套相同的望远镜观测同一个天体得到了不同的星等。通过调整卫星与太阳的角度，利用太阳光融化掉附着在望远镜上的冰或者其他污染物，情况已经得到明显好转。

3 我们可以看到有一定的漫散射光污染了盖亚焦平面。太阳光通过太阳遮光板边缘的衍射进入到卫星，并且可能通过未完全融化的冰的反射造成了相当一部分的漫散射光；也可能有很小一部分来自于星空中其他明亮天体的光通过我们不知道的路径到达了焦平面。下一步去冰和消除漫散射光的计划已经在紧张进行中，希望盖亚科学团队能够给我们带来更多好消息。