2014，跟随“盖亚”探宇宙

2014-10-09何锐思

天文爱好者 2014年3期

何锐思（Richard de Grijs）北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）教授，国际天文学联合会天文发展办公室东亚分站负责人。

图1 “盖亚”将对银河系的恒星进行测绘。

新年到，展望未来新进展！

一年的开始，总是回首过去、展望未来的机会。告别蛇年，马年到来。新年也带来了令人振奋的消息。空间天文学正在不断壮大，而欧洲空间局（简称欧空局，ESA）超乎想象的“盖亚”（Gaia）项目如果进展顺利，将可能对空间天文的发展产生不可估量的影响。

“盖亚”是一架先进的空间望远镜，于2013年12月19日（星期四）从南美洲法属圭亚那的库鲁（Kourou）由俄罗斯“联盟-FG”（Soyuz-STBFregat）运载火箭成功发射，其任务包括探测十亿颗恒星的空间信息，并绘制迄今为止最为精细的银河系地图。升空42分钟后，卫星与最后一级火箭分离，控制人员宣布一切正常。多亏了现代先进的通讯技术，我们在北京大学科维理天体物理研究所也能够看到发射的全过程。在星期四的例行学术讨论会之后，我们将投影仪连接到欧空局电视广播频道（ESA TV broadcast），忐忑不安地等待着当地时间下午5点12分的发射。所幸，我们在会议厅的主屏幕上看到了一次完美的发射。我仿佛听见大家都长长舒了一口气——这也许是我的想象，但真的，在场的所有人都为这次发射没有明显的瑕疵而高兴不已——因为毕竟，我们这里有好几位同事都是“盖亚”项目的成员，一直在为它的成功不懈努力着。不过，今后将有更多的工作等待着他们。

图2 位于欧洲空间局无尘室中的“盖亚”。图片来源网络。

图3 卫星舱里的“盖亚”，即将登上火箭奔赴太空。图片来源：ESA

“盖亚”探测的恒星数目，将比它的前辈、欧空局上世纪90年代投入使用的“伊巴谷”空间望远镜（Hipparcos）多50倍。而直到今天，根据“伊巴谷”卫星的数据编成的星表仍然被专业天文学家认为是最可靠的。“‘盖亚’是九年艰苦工作的结晶，它将为我们理解宇宙及其历史、法则提供特别的帮助”，法国国家空间研究中心（CNES）领导让-伊夫·勒加尔（Jean-Yves Le Gall）说。该中心也是“盖亚”项目的领导者之一。据剑桥大学天文研究所（Institute of Astromony，IoA）教授格里·吉尔默（Gerry Gilmore）说，该项目的结果“将前所未有地革新我们对宇宙的认识。”

“盖亚”将从2014年5月起开始它的恒星巡天工作。在此之前，它要先运行到距地球150万千米的日地连线延长线上——远在月球轨道之外的第二拉格朗日点（L2）。在那里，全年都可以进行观测，而不受太阳、地球和月球的杂光影响。在2011年12月《天文爱好者》“天文视点”的文章里我曾提到过这一点，不过当时的重点是介绍它搭载的超高像素照相机。在L2点上，基于地面上的望远镜网监测，“盖亚”每个月要进行一次调整，以保证其位置在100米的精度之内。

意料之外新发现

“我们对‘外面有什么’的理解取决于我们对能看到的东西的观察。我们从来没有机会真正去看到一切，去知道外面有什么，去了解它们之间有怎样的关系。我们甚至不知道我们有多少东西还不知道。外面无疑有很多我们甚至还没命名的东西，因为我们还没意识到它们有多奇妙。”吉尔默说。

在五年的任务里，“盖亚”的十亿像素照相机将极为精确地测量恒星绕银河系中心的运动：在它探测的十亿颗恒星中，每一颗都将被重复观测70~100次。这将帮助我们了解银河系的起源和演化。每一个天体都保留着它诞生时那个时代的一些信息。因此，“盖亚”不仅能绘制我们今天看到的天空的地图，也能够让我们回溯到数十亿年前——我们仿佛能通过“延时（time-lapse）摄影”看到我们星系一生的变化。

科学家同时也希望“盖亚”能够探测到10000~50000颗太阳系外的行星；以及，在10000颗左右的超新星达到极大亮度之前探测到它们，以提醒地面上打算研究超新星爆发的科学家及时观测。当然，并不只有那些核心发生核聚变的恒星才会吸引科学家的注意，褐矮星——所谓“失败的恒星”，它们游荡在星际空间中，核心从来没能真正点燃核聚变反应——也是“盖亚”寻找的目标。另外，将眼光放回我们的家园，“盖亚”将列出一张太阳系小行星和彗星清单，从可能威胁地球的近地天体，到火星与木星之间的小行星带，再到冰冷的外太阳系柯伊伯带，一应俱全。

“盖亚”飞船搭载的传感器的探测能力要比人眼强4000倍。这架2.03吨重的望远镜“威力强大，其分辨能力相当于在1000千米外看清一根头发”，法国国家空间研究中心（CNES）网站上这样写道。根据欧空局的说法，“如果说‘伊巴谷’卫星能够测量的角度相当于月球上一名宇航员的身高，那么‘盖亚’就相当于能分辨他的指甲。”而剑桥大学天文研究所科学家、英国“盖亚”数据处理负责人弗洛·凡·列文博士（Floor van Leeuwen）对此解释说，它“意味着我们需要威力更强大的计算机来分析这些数据。”下面我们将看到，测试数据已经开始传回IoA的一台特制计算机以及欧洲其他四个强大的计算中心。不出几个月，“盖亚”卫星就可以全面投入使用了。

格里·吉尔默估计，“盖亚”的第一张三维（3D）地图将在两年之内绘制完成，“3D绘图需要结合各种复杂的算法。我们在运动，恒星也在运动，而且如果它周围有行星运转，它的运动还会发生摇摆。你必须处理这三种运动。当然，我们要发现一万颗绕恒星运转的行星，也正是根据这个原理。”吉尔默这里提到的“摇摆”指的是恒星在视线方向（我们和恒星的连线）上的运动发生的微小变化，以及当行星从前面经过时恒星亮度微小的下降。行星的引力会使后面的星光发生微小的偏折。

图4 这是一部能“解答我们提出的一切关于恒星的问题”的机器。图片来源网络。

撼动天文学的基础？

为什么宇宙是现在这个样子？银河系起源于何处？它到底由什么组成？它的质量有多大？它如何演化成现在的模样？说这样的问题有几百个，一点也不夸张。”吉尔默说，“我们将走出我们所能看到的，去认识这个世界真实的样子。我们将发现全新的东西，那些会让我们觉得不可能的东西。

或许与计划中的新发现一样激动人心的，是“盖亚”取得的科学成果将能用来检验天文学的一些基础假设。“有了‘盖亚’，我们就能够‘校准’那些作为我们宇宙知识基础的‘标准’”，弗洛·凡·列文解释道，“如果你能把作为天文学基础的‘标准’的精度大大提高，那么这些标准在接下来的几十年里都将在这个领域持续起作用。”凡·列文明白自己在说什么。他的生涯中有十余年是在详细地分析“伊巴谷”卫星的观测结果，而这彻底重新定义了银河系中我们所在这片区域的距离尺度。

例如，“盖亚”将能对广义相对论进行迄今最精确的验证。根据相对论，星光经过大质量天体附近会发生偏折，我们观察到它们的位置也就会发生一些偏移。由于“盖亚”对目标位置的测量极为精确，星光经过太阳或木星时位置上发生的细小改变，它也能够探测到。如果读者一直关注“天文视点”，就会记得我在2012年4月的文章中介绍过这种被称为“引力透镜”的效应。“盖亚”将来也可以帮助科学家寻找爱因斯坦预言的“时空的涟漪”——引力波。虽然现在还没有发现，但爱因斯坦的理论预言，引力波通过伸缩时空，也可以改变恒星看上去的位置。宇宙诞生时的大爆炸有可能产生这种“涟漪”，而“盖亚”将帮助天文学家推断出它可能的强度。无论在全世界还是在中国，这一领域目前都呈井喷式发展。中国科学院国家天文台（NAOC）的雷纳·斯普尔泽（Rainer Spurzem）教授领导的研究团队在这一课题上取得了许多成果。

同时，“盖亚”也在慢慢步入“正轨”。一旦按计划开始巡天测量，它将生成海量的数据。在整个任务期中，“盖亚”将产生约100TB（Terabyte，1TB=1024GB）的数据（原始图像），相当于32000小时的DVD电影。不过，为了提高效率，只有每颗被观测恒星附近一小块区域的图像会被传回地球并进行分析。

老朋友的新形象

2014年2月4日，ESA释放了“盖亚”的第一张测试图像（图6）。拍摄测试图像是“盖亚”设备调试的一部分。与未来的工作模式一样，“盖亚”团队只下载了相机拍摄图像的一小部分，即这幅测试图像。它只占“盖亚”全视野的不到1%。这次的设备调试情况良好，但仍有必要开展进一步工作以了解整个设备表现如何。测试图像（图6）中显示的是大麦哲伦云中的年轻星团NGC 1818。大麦哲伦云是银河系的伴星系，也是离我们最近的星系之一。就我个人而言，我对这个测试目标的选择着实感到惊喜：因为北京大学我自己的研究小组，和国家天文台的学生，曾经一起仔细研究过哈勃望远镜拍摄的这个星团的图像！相比之下，“盖亚”的测试图像质量极高，我相信它将能顺利完成今后的任务。

图6 “盖亚”传回的测试图像。图片来源：ESA/DPAC/Airbus DS。

这幅NGC 1818的“肖像”是“盖亚”向我们传回的第一幅“图像”，但同时，它也是最后一幅。“看着‘盖亚’十亿像素相机拍摄的第一幅震撼的照片，首先，要对为之艰苦工作的科学家和工程师表示由衷的感谢。其次，我们从中瞥见了未来的辉煌和挑战，‘盖亚’将融入人类对银河系起源的认识。这将是天文学上重要的一步，我们将要迈出的一步。”吉尔默说。这让我们想起美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）的名言“这是（一个）人的一小步，人类的一大步。”格林尼治时间1969年7月21日02:56，当阿姆斯特朗成为第一个踏上月球的人时，曾经这样说道。“盖亚”能否像“阿波罗”计划之于航天事业那样，让我们对宇宙的认识产生深刻的影响，并给下一代的科学家和工程师带来灵感和鼓舞，历史将给出答案。

为了达成目标，“盖亚”将把视线缓慢扫过整个天空，并将方向相反的两个主镜收集的星光聚焦到一台数码相机上。这可是目前太空中运行的最大的相机，将近有十亿像素。但是，望远镜首先要正确地定向和调焦，设备也需要校准，这都是极为复杂的工作，在“盖亚”正式开始为期五年的任务之前，科学家还需要花几个月的时间来完成这些准备。

当全部十亿个目标在最初的六个月都被观测过一遍之后，“盖亚”将在接下来的五年里一遍遍地重复观测它们，测量它们在天空中位置的微小变化，以帮助天文学家确定恒星的距离（通过三角视差法）和自行运动。作为“盖亚”最终成果的星表，将在五年任务完成的三年后公开。不过，如果有快速变化的天体如超新星被探测到，项目组将在数据生成几小时之内及时发布提醒。

现在，我们离收获“盖亚”的成果还有几年的时间。这里，我用了“我们”，因为北京大学和上海天文台的很多中国天文学家都正式加入了“盖亚”数据的开采工作。第一位中国自己培养的研究“盖亚”相关课题的博士生即将在北京大学进行答辩。对我们来说，毫无疑问，振奋人心的时刻已经到来。对于这些来自迄今最具雄心天文项目的海量数据，中国天文学家已经磨刀霍霍，准备好开发这期待已久的宝库了！