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“看清月球上的一颗扣子” |
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欧洲卫星将开启银河系探测新纪元 |
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依巴谷卫星证明了太空天体测量学的价值；盖亚卫星将绘制银河系地图。
图片来源: 欧洲航天局 ；B. FUGATE
19世纪被认为是属于天文学的时代，21世纪天文学有了更蓬勃的发展。维多利亚时代的天文学家花费大量时间研制以黄铜制成的皇家望远镜——能细致地测量恒星的位置。这种天图被称为天体测量学，但在20世纪就已过时，因为当时的科学家开始探寻更遥远奇异的天文现象，诸如脉冲星、类星体、伽马射线爆发和黑洞。
现在，天体测量学再一次处在被关注的焦点。本月，欧洲航天局（ESA）盖亚空间卫星将从法属圭亚那库鲁市宇航中心发射升空。这个造价高达4.5亿欧元的卫星将系统地扫描天空，绘制银河中几十亿颗恒星的地图，以便确定这些恒星的坐标和运动轨迹。
20世纪90年代早期，ESA发射的依巴谷卫星绘制出了包括118200颗恒星的超高精度地图，并以稍次的精确度测定了另外250万颗恒星的位置。时至今日，依巴谷卫星所获得的数据对研究恒星动力学和恒星进化史仍有重要意义。盖亚主要研究者、英国剑桥大学天文研究所教授Gerry Gilmore说：“盖亚的精确度是依巴谷卫星的200倍，盖亚将开启一个新的时代。我们将弄清银河系的组成以及银河系从哪里来。”
盖亚预计将在12月19日起飞前往太空中一处名为L2的位置，L2是距离地球150万公里的一个重力零点。到达之后，盖亚将每6小时旋转一次，用搭载的两架望远镜扫描天空。望远镜将光聚焦在10亿像素的探测器上。盖亚卫星与地基望远镜相互配合，能以10亿分之5弧度的惊人分辨率测定恒星位置，这相当于从地球观测月球表面上一颗衬衫纽扣的宽度。
随着盖亚卫星的转动，它将以宇宙中诸多恒星为背景记录特定恒星的位置。6个月后，当盖亚卫星转动到太阳的另一边时，它将再一次对同一颗恒星的位置进行测量。宇宙中存在的视差现象导致肉眼观测恒星时会发生位移，近距离恒星尤甚，盖亚卫星可以据此计算出它们的距离。通过反复测量，科学家有望弄清恒星是如何在宇宙中移动的。
盖亚卫星的观测数据能够让天文学家坐在剧场的头等席欣赏这场名为宇宙探索的“芭蕾舞”，且能够让他们在研究宇宙的过程中事半功倍。依巴谷卫星的数据仅涵盖了银河系距离地球较近的区域，但却证明了科学家的一个猜测：星系整体的重力并不是掌控恒星运转的唯一因素。相反，恒星之间会相互“引诱”对方，使得恒星的运转成为一项复杂的集体运动。Gilmore说：“它们成群结队地相互‘捕猎’，这是一个超出所有人预想的发现。”
盖亚将为研究者提供10亿颗恒星的数据，这一数目占整个银河系恒星数量的1%。美国普林斯顿大学的Michael Perryman是依巴谷卫星和盖亚卫星的前任项目科学家，他说：“有了这些数据，研究者可以研究一些极其复杂的天体运动，旋臂就是其中之一，恒星在银盘中时而上升时而沉浮，但实际上共有一薄一厚两块银盘。”天文学家希望通过研究恒星当前的运动轨迹推测出银河系是如何在暗物质的影响下生成的，并制作出暗物质的三维分布图，甚至从中获得灵感以解释暗物质的组成。
科学家认为银河系以吸收其他邻近小星系的方式扩张，盖亚项目还肩负着为此寻找证据的重任。这些小星系可能与银河系有着截然不同的组成物质，能够被盖亚卫星的分光光度仪探测到。ESA盖亚项目科学家Timo Prusti说：“银晕中呈分散状态排列的恒星从银盘中向上或向下延伸而出，这是物质在流动，说明银河系正在蚕食矮星系。”
在恒星小规模位移的情况下，研究者可以利用精确的距离修复技术来计算每个恒星真正的亮度和大小，这是研究恒星演化的重要数据。此外，由于当恒星受到来自不可见轨道的牵引时会产生振动，盖亚卫星能够通过探测这种振动发现系外恒星。盖亚卫星还首次使科学家探测恒星的边对边振动成为可能。Prusti说：“要做到这点很难，但盖亚卫星具备足够的精确度。”研究者推算盖亚卫星能够探测到上千或者更多的星系，并帮助科学家确定由其他观测工具，例如美国宇航局（NASA）的开普勒太空望远镜发现的星球质量。
盖亚还将在缩小宇宙距离尺度方面发挥重要作用。其中一个关键的方法是利用造父变星——这种恒星的振动会随着自身亮度的变化而改变。天文学家通过测量一颗造父变星的周期来推断它自身真实的亮度，从而确定这颗恒星的距离。此外，通过将它当前的亮度与原本的亮度作对比，天文学家还能确定它的寄主星系。但是恒星的亮度并不是一个很稳定的标尺，因此天文学家更希望通过其他测距方法对它进行校正。
Gilmore说：“我们当前的研究只能依靠有限的几个数据点，与地球相距不远，且处于视差范围内的造父变星只有几颗。盖亚卫星能提供精确的测距方法，其作用相当于4000颗造父变星。”
依巴谷卫星的任务已于20年前宣告结束，而天文学家至今仍在处理它的数据。Prusti估计，在盖亚卫星完成使命之后，天文学家需要50至100年的时间处理它的数据，他说：“我们正在为天文学的诸多研究领域奠定基础。”
（段歆涔）
《中国科学报》 (2013-12-19 第3版 国际)
