從來沒有哪臺(tái)望遠(yuǎn)鏡像蓋亞（Gaia）這樣具有如此強(qiáng)大的記錄星空的能力，基于蓋亞的觀測(cè)數(shù)據(jù)，歐洲空間局發(fā)布了史無前例的銀河系三維彩色圖像，從而刷新了我們對(duì)于銀河系和宇宙的認(rèn)識(shí)。

南方周末特約撰稿 鞠強(qiáng)

在沒有望遠(yuǎn)鏡的年代里，天上“流動(dòng)的河流”曾激發(fā)起無數(shù)人的遐想，但人類只能靠肉眼去辨識(shí)星星。四百年來，望遠(yuǎn)鏡技術(shù)不斷進(jìn)步，我們認(rèn)識(shí)宇宙的視野也隨之拓展，但從未有哪臺(tái)望遠(yuǎn)鏡像歐洲空間局（ESA）的蓋亞太空望遠(yuǎn)鏡（Gaia）這樣具備如此強(qiáng)大的記錄星空的能力。得益于蓋亞的觀測(cè)數(shù)據(jù)，歐洲空間局發(fā)布了史無前例的銀河系三維彩色圖像，從而刷新了我們對(duì)于銀河系和宇宙的認(rèn)識(shí)。在這絢爛的圖像背后，我們也看到了解決很多涉及銀河系的起源、結(jié)構(gòu)和演化歷史的問題的曙光。

蓋亞升空

2018年4月25日，全世界天文學(xué)界的目光都投向了柏林，因?yàn)樵谶@一天，歐洲空間局在柏林召開新聞發(fā)布會(huì)，發(fā)布蓋亞第二批觀測(cè)數(shù)據(jù)（GAIA DR2）。這不是蓋亞第一次成為主角，在此之前，蓋亞團(tuán)隊(duì)曾于2016年9月14日進(jìn)行過第一次數(shù)據(jù)發(fā)布（GAIA DR1），當(dāng)時(shí)一系列成果發(fā)表在《天文學(xué)和天體物理學(xué)》（Astronomy and Astrophysics）上。第一次發(fā)布的是從2014年7月到2015年9月觀測(cè)到的數(shù)據(jù)。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，蓋亞對(duì)超過11.4億顆恒星進(jìn)行了觀測(cè)。天文學(xué)家根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)繪制了全天星圖。

第一次觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)布的時(shí)候，天文學(xué)家已經(jīng)對(duì)蓋亞的觀測(cè)結(jié)果感到驚訝，而這次發(fā)布的數(shù)據(jù)更加令人激動(dòng)，包括16.9億顆恒星的位置及亮度數(shù)據(jù)、13.3億顆恒星的視差和自行數(shù)據(jù)、13.8億顆恒星的顏色、1.6億顆恒星的表面溫度、7700萬顆恒星的半徑和光度以及720萬顆恒星的徑向速度等。

這次蓋亞發(fā)布的成果中，最直觀的就是根據(jù)蓋亞獲得的數(shù)據(jù)繪制的銀河系及鄰近星系的全天彩色圖像。與根據(jù)第一次發(fā)布的數(shù)據(jù)繪制的星圖相比，這次由于獲得了恒星的顏色信息，因此可以得到彩色的圖像。同時(shí)由于觀測(cè)到的恒星數(shù)量的大幅增加，此前一些看上去有些空曠的區(qū)域也得到了填充，全天星圖更加完整。

這次發(fā)布的數(shù)據(jù)是蓋亞從2014年7月到2016年5月這段時(shí)間觀測(cè)獲得的。與上次發(fā)布不同的是，這次發(fā)布的數(shù)據(jù)不僅觀測(cè)時(shí)間段更長(zhǎng)，而且是由蓋亞獨(dú)立完成的，而第一次發(fā)布的數(shù)據(jù)除了蓋亞自身的工作外，還借助了歐洲空間局的依巴谷天體測(cè)量衛(wèi)星（Hipparcos satellite）的數(shù)據(jù)和其他地基觀測(cè)的數(shù)據(jù)。

依巴谷是第一顆測(cè)量恒星位置的衛(wèi)星，于1989年發(fā)射升空，一直工作到1993年。作為恒星測(cè)量的先驅(qū)，它對(duì)大約11.8萬顆恒星進(jìn)行了高精度測(cè)量，并對(duì)超過200萬顆恒星進(jìn)行了較低精度的位置測(cè)量。正如在蓋亞第一次發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)起到的作用，依巴谷的數(shù)據(jù)被天文學(xué)界廣泛使用：不僅幫助天文學(xué)家預(yù)測(cè)了1994年蘇梅克-列維9號(hào)彗星撞擊木星的事件，還揭示出銀河系曾經(jīng)在數(shù)十億年前吞噬過大量的恒星。

在測(cè)量恒星的征途上，蓋亞作為依巴谷的繼任者，各方面的性能都得到了顯著的提升。例如，蓋亞主鏡的接收面積更大，收集到的光線的量達(dá)到依巴谷的30倍，從而可以完成更準(zhǔn)確的測(cè)量——蓋亞測(cè)量恒星位置和運(yùn)動(dòng)的精度是依巴谷的200倍。

同每一項(xiàng)取得重要成果的天文學(xué)研究一樣，蓋亞獲得動(dòng)輒數(shù)以億計(jì)的海量數(shù)據(jù)也不是一蹴而就，而是二十多年工作厚積薄發(fā)的結(jié)果。歐洲空間局在1984年著手啟動(dòng)名為“視野2000”（Horizon 2000）的計(jì)劃，旨在資助一些重要的空間科學(xué)項(xiàng)目，羅塞塔號(hào)和卡西尼-惠更斯探測(cè)器都是這個(gè)計(jì)劃的組成部分；隨后歐洲空間局又發(fā)起了“視野2000+”（Horizon 2000+）計(jì)劃，蓋亞以及作為L(zhǎng)ISA引力波天文臺(tái)測(cè)試任務(wù)的LISA探路者（LISA Pathfinder）都屬于后者。

1993年10月，瑞典隆德大學(xué)的萊納特·林德格倫（Lennart Lindegren）和歐洲空間局的邁克爾·佩里曼（Michael Perryman）最早提出了蓋亞這個(gè)項(xiàng)目，以滿足歐洲空間局當(dāng)時(shí)對(duì)下一代恒星探測(cè)器的需要。蓋亞（Gaia）這個(gè)名字最早是“天體物理全球天文干涉儀”（Global Astrometric Interferometer for Astrophysics）的首字母縮寫詞，這體現(xiàn)出在設(shè)計(jì)之初，干涉測(cè)量法曾經(jīng)被計(jì)劃應(yīng)用在蓋亞上。隨著研究中技術(shù)的進(jìn)步和方法的改進(jìn)，用這個(gè)縮寫詞描述該項(xiàng)目已經(jīng)不再準(zhǔn)確，但考慮到計(jì)劃的延續(xù)性，Gaia這個(gè)詞還是被保留下來。在古希臘神話中，蓋亞是大地之神；這一次，大地之神被賦予注視星空的重任。

2013年12月19日，蓋亞在法屬圭亞那庫(kù)魯發(fā)射基地由俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載飛船搭載升空。2014年1月8日，蓋亞成功到達(dá)距離地球大約150萬千米的日地系統(tǒng)第二拉格朗日點(diǎn)附近。在這個(gè)位置上，蓋亞受到太陽和地球引力的共同作用，能保持相對(duì)靜止，消耗較少的燃料即可完成長(zhǎng)期駐留，同時(shí)這個(gè)位置的溫度環(huán)境也比較穩(wěn)定，因此是探測(cè)器和太空望遠(yuǎn)鏡工作的理想位置，計(jì)劃接替哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡也將工作在這個(gè)位置。

2014年7月25日，蓋亞正式開始為期5年的觀測(cè)工作，這也是兩次發(fā)布的蓋亞數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)。在此期間，蓋亞的運(yùn)行由位于德國(guó)達(dá)姆斯塔特的歐洲空間控制中心通過位于西班牙、阿根廷和澳大利亞的3個(gè)基站來操控，其上搭載的科學(xué)儀器的管理工作則由位于西班牙維拉弗蘭卡的歐洲空間天文學(xué)中心來完成。這些儀器主要完成三個(gè)方面的測(cè)量：一是天體幾何學(xué)，用以確定恒星的位置和運(yùn)動(dòng)；二是光度學(xué)，用以測(cè)量恒星的顏色；三是光譜學(xué)，用以測(cè)量恒星的徑向速度，同時(shí)弄清這些恒星的組成成分。

蓋亞的核心器件是一臺(tái)10億像素的CCD探測(cè)器，這是有史以來在太空中使用過的像素最高的相機(jī)，賦予它記錄星空的強(qiáng)大能力。它搭載的2臺(tái)望遠(yuǎn)鏡對(duì)天空進(jìn)行掃描，每分鐘大概可以觀測(cè)10萬顆恒星。這樣在這次發(fā)布的數(shù)據(jù)觀測(cè)周期內(nèi)，蓋亞一共完成了大約1000億次恒星觀測(cè)記錄。由于每顆恒星會(huì)被觀測(cè)70次左右，因此最終觀測(cè)到的恒星數(shù)量是16.9億顆。此外，蓋亞的重要部件還包括它的遮陽板。這塊直徑10米的遮陽板一直面向太陽，這樣既可以使所有器件保持在-100℃的適宜工作溫度下，又能利用板上的太陽能電池為蓋亞提供能量。

數(shù)據(jù)的盛宴

4月19日，歐洲空間局發(fā)布消息，預(yù)告了4月25日召開的發(fā)布會(huì)并邀請(qǐng)媒體參加。而在消息發(fā)布之前，很多天文學(xué)家其實(shí)就已經(jīng)對(duì)這次數(shù)據(jù)發(fā)布翹首以盼。發(fā)布會(huì)雖然時(shí)長(zhǎng)只有2個(gè)小時(shí)，但是卻承載了很多天文學(xué)家的希望，因?yàn)闅W洲空間局這次發(fā)布的海量數(shù)據(jù)，將會(huì)為許多天文學(xué)家正在和即將開展的研究提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

新聞發(fā)布會(huì)上，意大利帕多瓦天文臺(tái)的天文學(xué)家安托內(nèi)拉·瓦萊納里（Antonella Vallenari）就簡(jiǎn)要介紹了目前蓋亞已經(jīng)可以展示的科學(xué)成果。舉例來說，我們現(xiàn)在可以確定在距離地球5000光年的范圍內(nèi)的超過400萬顆恒星的顏色和光度。把這兩個(gè)量繪制到圖表上，我們就可以得到在天文學(xué)研究中有重要意義的赫羅圖（Hertzsprung-Russell diagram）。天文學(xué)家根據(jù)這張赫羅圖就可以分析這些恒星在生命周期中各個(gè)階段的特征，由此更好地理解恒星的形成和演化機(jī)制。

蓋亞團(tuán)隊(duì)還研究了在銀河系附近繞銀河系旋轉(zhuǎn)的12個(gè)矮星系和75個(gè)球狀星團(tuán)中的恒星的運(yùn)動(dòng)。他們的觀測(cè)可以加深對(duì)銀河系如何形成、甚至是暗物質(zhì)如何環(huán)繞銀河系的了解。而對(duì)銀河系內(nèi)恒星運(yùn)動(dòng)的精確測(cè)量數(shù)據(jù)，也會(huì)使我們更好地掌握暗物質(zhì)在銀河系內(nèi)的分布情況。迄今為止，我們還沒有在地球上的實(shí)驗(yàn)中觀察到暗物質(zhì)，一個(gè)可能的原因就是暗物質(zhì)在太陽系的范圍內(nèi)分布量太少。

由于地球繞太陽公轉(zhuǎn)，因此在一年中，我們觀察其他恒星會(huì)產(chǎn)生略微不同的角度，這使得恒星呈現(xiàn)出以平均位置為中心的微小的橢圓運(yùn)動(dòng)。這種現(xiàn)象被稱作視差。從幾何學(xué)的角度考慮，由于天文學(xué)家知道日地之間的距離，所以視差提供了測(cè)量地球到恒星距離的方法。恒星距離地球越遠(yuǎn)，視差越小，也就越難測(cè)量。由于大氣湍流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致恒星產(chǎn)生“搖擺”的現(xiàn)象，因此地基測(cè)量視差有很大的局限性，距離地球幾十光年以上的恒星的視差都需要在太空中測(cè)量。蓋亞是有史以來設(shè)計(jì)建造的最精密的測(cè)量恒星視差的設(shè)備，使得天文學(xué)家可以獲得恒星與地球之間距離的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

與此同時(shí)，蓋亞還確定了50萬個(gè)類星體的位置，星系中心的巨大黑洞使得這些類星體異常明亮。這些類星體距離地球非常遙遠(yuǎn)，以至于它們的視差幾乎為零，這樣天文學(xué)家就可以以它們?yōu)閰⒄瘴锝⒁粋€(gè)更加可靠的星系坐標(biāo)系統(tǒng)，以此來確定宇宙中所有物體的位置，就像是宇宙中的GPS一樣。定位精度提高的一個(gè)具體的應(yīng)用是星際導(dǎo)航。目前，人類發(fā)射的探測(cè)器正在太陽系中漫游，比如美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的新視野號(hào)（New Horizon）在2015年完成飛掠冥王星后，正在飛往柯伊伯帶，預(yù)計(jì)于2019年新年完成下一次飛掠，目標(biāo)是2014MU69。在這個(gè)過程中，精確的星際導(dǎo)航就顯得尤為重要。

天文學(xué)家根據(jù)蓋亞的數(shù)據(jù)測(cè)量出720萬顆恒星的徑向速度（它們向地球運(yùn)動(dòng)或者遠(yuǎn)離地球的速度），意味著我們了解到它們?cè)阢y河系中以多快的速度運(yùn)動(dòng)并且知道它們運(yùn)動(dòng)的方向，這將有助于我們更好地了解銀河系動(dòng)力學(xué)。蓋亞數(shù)據(jù)處理和分析聯(lián)盟（DPAC）成員、荷蘭萊頓大學(xué)的安東尼·布朗（Anthony Brown）在新聞發(fā)布會(huì)上就表示：“這是一項(xiàng)了不起的新成就?！盌PAC成立于2006年，由來自超過20個(gè)國(guó)家的天文學(xué)家和軟件工程師組成，負(fù)責(zé)蓋亞的海量數(shù)據(jù)處理工作，并將編制出完整的恒星目錄。

此外，蓋亞還測(cè)量了超過14000個(gè)太陽系內(nèi)物體的位置和軌跡，其中大部分是小行星。雖然包括小行星在內(nèi)的太陽系內(nèi)天體并不是蓋亞觀測(cè)的重點(diǎn)，但是由于蓋亞的觀測(cè)精度大概是地面觀測(cè)的1000倍左右，因此這是為研究小行星的天文學(xué)家?guī)淼奶貏e禮物。

今年3月，蓋亞團(tuán)隊(duì)發(fā)布消息稱2月的時(shí)候蓋亞服務(wù)模塊2個(gè)電子元件出現(xiàn)錯(cuò)誤，使蓋亞啟動(dòng)了自動(dòng)安全模式。隨后經(jīng)過檢查，蓋亞恢復(fù)正常并繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)也在繼續(xù)進(jìn)行調(diào)查，希望能夠找到引起異常的準(zhǔn)確原因。到目前為止，蓋亞已經(jīng)收集了第三次發(fā)布所需要的數(shù)據(jù)。根據(jù)計(jì)劃，蓋亞還有數(shù)據(jù)的第四次發(fā)布。在完成預(yù)定的5年觀測(cè)任務(wù)期后，蓋亞的任務(wù)期有望延長(zhǎng)1-4年，因此未來的數(shù)據(jù)發(fā)布情況，將視屆時(shí)蓋亞的運(yùn)行情況而定。最終的蓋亞數(shù)據(jù)集預(yù)計(jì)將在2022年年底發(fā)布。

蓋亞這一次獲得了對(duì)近17億顆恒星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)字僅僅比我們銀河系中的恒星數(shù)的1%多一點(diǎn)點(diǎn)而已——天文學(xué)家估計(jì)銀河系中有大約1000億顆恒星。盡管如此，我們?nèi)匀幌嘈?，這一次蓋亞發(fā)布的數(shù)據(jù)是我們認(rèn)識(shí)銀河系的里程碑事件。對(duì)很多天文學(xué)家來說，2018年4月25日是一個(gè)值得紀(jì)念的日子，也許他們真正的職業(yè)生涯從這一天開始，也許他們未來的整個(gè)研究生涯都會(huì)與此相伴。

在可以預(yù)見的未來，蓋亞獲得的數(shù)據(jù)將是我們所能得到的最完整的恒星數(shù)據(jù)，并在天文學(xué)的很多領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮決定性的作用。在未來數(shù)年甚至數(shù)十年的時(shí)間里，也許需要幾代天文學(xué)家齊心協(xié)力才能充分挖掘出數(shù)據(jù)中的財(cái)富，將更加真實(shí)也更加深刻的宇宙圖景展現(xiàn)在我們的面前。在第一次抬頭望向星空的數(shù)百萬年后，我們這個(gè)物種對(duì)星空的壯麗仍然執(zhí)著，從不會(huì)感到厭倦。