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[宇宙物理] 前所未有的银河系画像

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yexuqing 发表于 2018-6-14 13:14:04 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
前所未有的银河系画像
[size=1.1em]作者:南方周末特约撰稿 鞠强
2018-06-10 10:24:39[size=1.1em]来源:科学



盖亚望远镜艺术想像图。(ESA网站截图/图)
(本文首发于2018年6月7日《南方周末》)
从来没有哪台望远镜像盖亚(Gaia)这样具有如此强大的记录星空的能力,基于盖亚的观测数据,欧洲空间局发布了史无前例的银河系三维彩色图像,从而刷新了我们对于银河系和宇宙的认识。
在没有望远镜的年代里,天上“流动的河流”曾激发起无数人的遐想,但人类只能靠肉眼去辨识星星。四百年来,望远镜技术不断进步,我们认识宇宙的视野也随之拓展,但从未有哪台望远镜像欧洲空间局(ESA)的盖亚太空望远镜(Gaia)这样具备如此强大的记录星空的能力。得益于盖亚的观测数据,欧洲空间局发布了史无前例的银河系三维彩色图像,从而刷新了我们对于银河系和宇宙的认识。在这绚烂的图像背后,我们也看到了解决很多涉及银河系的起源、结构和演化历史的问题的曙光。
盖亚升空
2018年4月25日,全世界天文学界的目光都投向了柏林,因为在这一天,欧洲空间局在柏林召开新闻发布会,发布盖亚第二批观测数据(GAIA DR2)。这不是盖亚第一次成为主角,在此之前,盖亚团队曾于2016年9月14日进行过第一次数据发布(GAIA DR1),当时一系列成果发表在《天文学和天体物理学》(Astronomy and Astrophysics)上。第一次发布的是从2014年7月到2015年9月观测到的数据。在这个时间段内,盖亚对超过11.4亿颗恒星进行了观测。天文学家根据获得的数据绘制了全天星图。
第一次观测数据发布的时候,天文学家已经对盖亚的观测结果感到惊讶,而这次发布的数据更加令人激动,包括16.9亿颗恒星的位置及亮度数据、13.3亿颗恒星的视差和自行数据、13.8亿颗恒星的颜色、1.6亿颗恒星的表面温度、7700万颗恒星的半径和光度以及720万颗恒星的径向速度等。
这次盖亚发布的成果中,最直观的就是根据盖亚获得的数据绘制的银河系及邻近星系的全天彩色图像。与根据第一次发布的数据绘制的星图相比,这次由于获得了恒星的颜色信息,因此可以得到彩色的图像。同时由于观测到的恒星数量的大幅增加,此前一些看上去有些空旷的区域也得到了填充,全天星图更加完整。
这次发布的数据是盖亚从2014年7月到2016年5月这段时间观测获得的。与上次发布不同的是,这次发布的数据不仅观测时间段更长,而且是由盖亚独立完成的,而第一次发布的数据除了盖亚自身的工作外,还借助了欧洲空间局的依巴谷天体测量卫星(Hipparcos satellite)的数据和其他地基观测的数据。
依巴谷是第一颗测量恒星位置的卫星,于1989年发射升空,一直工作到1993年。作为恒星测量的先驱,它对大约11.8万颗恒星进行了高精度测量,并对超过200万颗恒星进行了较低精度的位置测量。正如在盖亚第一次发布数据时起到的作用,依巴谷的数据被天文学界广泛使用:不仅帮助天文学家预测了1994年苏梅克-列维9号彗星撞击木星的事件,还揭示出银河系曾经在数十亿年前吞噬过大量的恒星。
在测量恒星的征途上,盖亚作为依巴谷的继任者,各方面的性能都得到了显著的提升。例如,盖亚主镜的接收面积更大,收集到的光线的量达到依巴谷的30倍,从而可以完成更准确的测量——盖亚测量恒星位置和运动的精度是依巴谷的200倍。
同每一项取得重要成果的天文学研究一样,盖亚获得动辄数以亿计的海量数据也不是一蹴而就,而是二十多年工作厚积薄发的结果。欧洲空间局在1984年着手启动名为“视野2000”(Horizon 2000)的计划,旨在资助一些重要的空间科学项目,罗塞塔号和卡西尼-惠更斯探测器都是这个计划的组成部分;随后欧洲空间局又发起了“视野2000+”(Horizon 2000+)计划,盖亚以及作为LISA引力波天文台测试任务的LISA探路者(LISA Pathfinder)都属于后者。
1993年10月,瑞典隆德大学的莱纳特·林德格伦(Lennart Lindegren)和欧洲空间局的迈克尔·佩里曼(Michael Perryman)最早提出了盖亚这个项目,以满足欧洲空间局当时对下一代恒星探测器的需要。盖亚(Gaia)这个名字最早是“天体物理全球天文干涉仪”(Global Astrometric Interferometer for Astrophysics)的首字母缩写词,这体现出在设计之初,干涉测量法曾经被计划应用在盖亚上。随着研究中技术的进步和方法的改进,用这个缩写词描述该项目已经不再准确,但考虑到计划的延续性,Gaia这个词还是被保留下来。在古希腊神话中,盖亚是大地之神;这一次,大地之神被赋予注视星空的重任。
2013年12月19日,盖亚在法属圭亚那库鲁发射基地由俄罗斯的联盟号运载飞船搭载升空。2014年1月8日,盖亚成功到达距离地球大约150万千米的日地系统第二拉格朗日点附近。在这个位置上,盖亚受到太阳和地球引力的共同作用,能保持相对静止,消耗较少的燃料即可完成长期驻留,同时这个位置的温度环境也比较稳定,因此是探测器和太空望远镜工作的理想位置,计划接替哈勃太空望远镜的詹姆斯·韦伯太空望远镜也将工作在这个位置。
2014年7月25日,盖亚正式开始为期5年的观测工作,这也是两次发布的盖亚数据的起始点。在此期间,盖亚的运行由位于德国达姆斯塔特的欧洲空间控制中心通过位于西班牙、阿根廷和澳大利亚的3个基站来操控,其上搭载的科学仪器的管理工作则由位于西班牙维拉弗兰卡的欧洲空间天文学中心来完成。这些仪器主要完成三个方面的测量:一是天体几何学,用以确定恒星的位置和运动;二是光度学,用以测量恒星的颜色;三是光谱学,用以测量恒星的径向速度,同时弄清这些恒星的组成成分。
盖亚的核心器件是一台10亿像素的CCD探测器,这是有史以来在太空中使用过的像素最高的相机,赋予它记录星空的强大能力。它搭载的2台望远镜对天空进行扫描,每分钟大概可以观测10万颗恒星。这样在这次发布的数据观测周期内,盖亚一共完成了大约1000亿次恒星观测记录。由于每颗恒星会被观测70次左右,因此最终观测到的恒星数量是16.9亿颗。此外,盖亚的重要部件还包括它的遮阳板。这块直径10米的遮阳板一直面向太阳,这样既可以使所有器件保持在-100℃的适宜工作温度下,又能利用板上的太阳能电池为盖亚提供能量。
数据的盛宴
4月19日,欧洲空间局发布消息,预告了4月25日召开的发布会并邀请媒体参加。而在消息发布之前,很多天文学家其实就已经对这次数据发布翘首以盼。发布会虽然时长只有2个小时,但是却承载了很多天文学家的希望,因为欧洲空间局这次发布的海量数据,将会为许多天文学家正在和即将开展的研究提供重要的数据支撑。
新闻发布会上,意大利帕多瓦天文台的天文学家安托内拉·瓦莱纳里(Antonella Vallenari)就简要介绍了目前盖亚已经可以展示的科学成果。举例来说,我们现在可以确定在距离地球5000光年的范围内的超过400万颗恒星的颜色和光度。把这两个量绘制到图表上,我们就可以得到在天文学研究中有重要意义的赫罗图(Hertzsprung-Russell diagram)。天文学家根据这张赫罗图就可以分析这些恒星在生命周期中各个阶段的特征,由此更好地理解恒星的形成和演化机制。
盖亚团队还研究了在银河系附近绕银河系旋转的12个矮星系和75个球状星团中的恒星的运动。他们的观测可以加深对银河系如何形成、甚至是暗物质如何环绕银河系的了解。而对银河系内恒星运动的精确测量数据,也会使我们更好地掌握暗物质在银河系内的分布情况。迄今为止,我们还没有在地球上的实验中观察到暗物质,一个可能的原因就是暗物质在太阳系的范围内分布量太少。
由于地球绕太阳公转,因此在一年中,我们观察其他恒星会产生略微不同的角度,这使得恒星呈现出以平均位置为中心的微小的椭圆运动。这种现象被称作视差。从几何学的角度考虑,由于天文学家知道日地之间的距离,所以视差提供了测量地球到恒星距离的方法。恒星距离地球越远,视差越小,也就越难测量。由于大气湍流效应会导致恒星产生“摇摆”的现象,因此地基测量视差有很大的局限性,距离地球几十光年以上的恒星的视差都需要在太空中测量。盖亚是有史以来设计建造的最精密的测量恒星视差的设备,使得天文学家可以获得恒星与地球之间距离的准确数据。
与此同时,盖亚还确定了50万个类星体的位置,星系中心的巨大黑洞使得这些类星体异常明亮。这些类星体距离地球非常遥远,以至于它们的视差几乎为零,这样天文学家就可以以它们为参照物建立一个更加可靠的星系坐标系统,以此来确定宇宙中所有物体的位置,就像是宇宙中的GPS一样。定位精度提高的一个具体的应用是星际导航。目前,人类发射的探测器正在太阳系中漫游,比如美国国家航空航天局(NASA)的新视野号(New Horizon)在2015年完成飞掠冥王星后,正在飞往柯伊伯带,预计于2019年新年完成下一次飞掠,目标是2014MU69。在这个过程中,精确的星际导航就显得尤为重要。
天文学家根据盖亚的数据测量出720万颗恒星的径向速度(它们向地球运动或者远离地球的速度),意味着我们了解到它们在银河系中以多快的速度运动并且知道它们运动的方向,这将有助于我们更好地了解银河系动力学。盖亚数据处理和分析联盟(DPAC)成员、荷兰莱顿大学的安东尼·布朗(Anthony Brown)在新闻发布会上就表示:“这是一项了不起的新成就。”DPAC成立于2006年,由来自超过20个国家的天文学家和软件工程师组成,负责盖亚的海量数据处理工作,并将编制出完整的恒星目录。
此外,盖亚还测量了超过14000个太阳系内物体的位置和轨迹,其中大部分是小行星。虽然包括小行星在内的太阳系内天体并不是盖亚观测的重点,但是由于盖亚的观测精度大概是地面观测的1000倍左右,因此这是为研究小行星的天文学家带来的特别礼物。
今年3月,盖亚团队发布消息称2月的时候盖亚服务模块2个电子元件出现错误,使盖亚启动了自动安全模式。随后经过检查,盖亚恢复正常并继续进行科学观测。项目团队也在继续进行调查,希望能够找到引起异常的准确原因。到目前为止,盖亚已经收集了第三次发布所需要的数据。根据计划,盖亚还有数据的第四次发布。在完成预定的5年观测任务期后,盖亚的任务期有望延长1-4年,因此未来的数据发布情况,将视届时盖亚的运行情况而定。最终的盖亚数据集预计将在2022年年底发布。
盖亚这一次获得了对近17亿颗恒星的观测数据,这个数字仅仅比我们银河系中的恒星数的1%多一点点而已——天文学家估计银河系中有大约1000亿颗恒星。尽管如此,我们仍然相信,这一次盖亚发布的数据是我们认识银河系的里程碑事件。对很多天文学家来说,2018年4月25日是一个值得纪念的日子,也许他们真正的职业生涯从这一天开始,也许他们未来的整个研究生涯都会与此相伴。
在可以预见的未来,盖亚获得的数据将是我们所能得到的最完整的恒星数据,并在天文学的很多领域内发挥决定性的作用。在未来数年甚至数十年的时间里,也许需要几代天文学家齐心协力才能充分挖掘出数据中的财富,将更加真实也更加深刻的宇宙图景展现在我们的面前。在第一次抬头望向星空的数百万年后,我们这个物种对星空的壮丽仍然执著,从不会感到厌倦。


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