绘制银河系的1%——Gaia探测器

  • 何幸
  • 日期:2018-12-29
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       12月19日,《自然》发布了“2018年度十大人物”,天文学家Anthony Brown名列其上:他率领其团队,发布了盖亚(Gaia)探测器对10亿多颗恒星的大规模追踪数据,这一信息宝库正迅速转变着人类对银河系演化过程的认知。

 

1 背景

 

       在认识Gaia的功能之前,我们先来了解一下当时的背景。即便是放置在地球上的最强望远镜,由于星光在进入地球大气层后会发生抖动,测量结果的精度都会受到影响。为了获得高精度的观测数据,欧洲空间局(ESA)在1989年发射了全球首颗天体测量卫星“依巴谷”。而它所得到的数据,不管是从精度还是星球数量上来看都远超预期。正因为尝到了好处,为了得到更高的精度,观测到更多的星球,ESA开启了Gaia项目。

 

2 功能

 

       那么Gaia究竟有何神通,让我们更近距离地来了解它。

利用Gaia数据得到的恒星密度图

       Gaia是欧空局于2013年12月19日发射的天体测量卫星,在度过了为期6个月的在轨服役期后,它于2014年7月25日开始常规科学观测。Gaia身居距离地球150万千米的拉格朗日点(L2),边自转边对恒星以及其他诸多天体进行观测,扫描天空中的环状条带。通过以超高的精度重复测量恒星的位置,Gaia可以分辨出它们的距离以及在银河系中的运动。

       今年新发布的数据涵盖了2014年7月25日至2016年5月23日期间所确定的近17亿颗恒星的位置。对于其中一些较亮的恒星来说,精确程度相当于地球观测人员能够在月球表面发现一枚欧元硬币。

       “Gaia收集的观测结果正在重新定义天文学的基础。”欧空局科学主任Günther Hasinger说。有了这些精确的测量,就有可能将恒星的视差与它们在银河系中的真实运动分开。

 

3 方法与设备

 

       Gaia卫星是如何达到这样惊人效果的呢?我们来看看它使用的方法。

       新目录列出了超过13亿颗恒星在天空中的视差和速度。通过最精确的视差测量,天文学家可以直接估算出与单个恒星之间的距离,约占总数的10%。

视差是一年的时间里恒星相对远方背景的视运动,它是地球环绕太阳真实运动的产物。Gaia在同地球一起环绕太阳运行的时候,也会观测到视差。但是视差并非Gaia看到的唯一运动,恒星也会实际穿过宇宙空间运动,这一成分称为自行。

       恒星距离太阳越近,视差也就越大,因此测量到的恒星视差可以用于确定它的距离。而距离可以用于将恒星的视亮度转化成它的真实亮度,也就是“绝对光度”。

Gaia的第一份赫罗图

       天文学家将恒星的绝对光度相对温度(根据恒星的颜色估计得出)描在图上,绘制出了“赫罗图”(以20世纪初的两名科学家命名)。他们意识到,这样的图表是用来了解恒星演化的工具。

欧空局Gaia数据分类

01 天体测量仪

       天体测量仪可以在恒星密度为3×106 颗/(°)2 的情况下进行精确测量,其主要目标就是通过“Gaia”卫星两个望远镜的重合区域对所有目标的相对位置进行精确测量,获得的数据可以提供星位置(2个角度)、自身移动(2次衍生位置)、平行视差 (距离)等天体测量参数。

02 光度测量仪

       光度测量仪将对所有探测物体的光谱能量分布(SED)进行测量,从而进行天体物理学研究和天体测量仪的色度校准。其主要用于实现两个目标:

①通过光谱能量分布测量,可以获得天体的光度、 温度效应、质量、年龄和化学成分等信息。

②为了满足天体性能要求,测量重心位置必须根据光学系统出现的系统色彩变化进行修正。这可能仅仅可以获得CCD覆盖波长范围内(320~1000nm)的观测目标的光谱能量分布。

03 光谱仪

       Gaia的径向速度光谱仪可以提供 847~874nm窄波长范围的光栅,在5年任务寿命期间,将对每个观测目标进行约40次的视场重叠观测。

 

4 意义

 

       对这些惊人数据的初步分析揭示了银河系恒星群组成和恒星运动的细节,这是研究本星系群形成和演化的基本信息。

       “Gaia将大大提高我们对宇宙在所有尺度上的理解,”欧空局盖亚项目科学家蒂莫·普鲁斯蒂(Timo Prusti)说。

       天文学家将从Gaia获取大量数据信息,通过搜索存档找到相似的天体或事件以及天体之间的相互关系,从而为解决特殊的、看似棘手的科学难题提供必要线索。

 

5 展望未来

 

       看到这些我们就该意识到我国天文方面的缺陷:缺少仪器,缺少人才。所以同学们,加入我们天文。现在正是中国天文的黄金时代,正是需要你们这样的人才,希望所有对天文有着热爱的同学能够加入我们,建造属于我们的空间探测卫星。

 

 

 

 

文字:王进、汪彧泽

图片:王进、汪彧泽

编辑:甘季鑫