歐洲空間局的“蓋亞”空間望遠(yuǎn)鏡成功發(fā)射升空，我們即將獲得銀河系以及宇宙迄今最詳盡的“地圖”。圖片來源：meteoweb.eu
（文/ Stuart Clark）這將是有史以來最大的自拍。在蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之后，它將以前所未有的精度對(duì)銀河系中的10億顆恒星進(jìn)行勘測(cè)，進(jìn)而從根本上改變我們對(duì)周遭宇宙的認(rèn)識(shí)。
2013年12月19日，歐洲航天局的這一大膽計(jì)劃，使用俄羅斯的“聯(lián)盟”火箭從法屬圭亞那發(fā)射升空。隨后，它將飛行到距離地球150萬千米遠(yuǎn)的太空。在那個(gè)遠(yuǎn)離地球大氣層輝光的地方，“蓋亞”將繞著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，并開始緩慢自轉(zhuǎn)，在未來5年的時(shí)間里測(cè)量每一個(gè)進(jìn)入其視場(chǎng)的天體。除了測(cè)繪銀河系中的大約10億顆恒星（約占銀河系恒星總數(shù)的1%）以外，它還會(huì)搜尋圍繞其他恒星的行星，監(jiān)視我們太陽系中的小行星，精確定位幾十萬個(gè)遙遠(yuǎn)的河外星系。這將是一段發(fā)現(xiàn)之旅?！吧w亞”團(tuán)隊(duì)成員、英國盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室的彼得·艾倫（Peter Allan）說：“‘蓋亞’將徹底改變天文學(xué)，這話我不是隨便說的?！?/p>
精準(zhǔn)的天圖將是一件強(qiáng)有力的武器。作為“蓋亞”的前身，1989年到1993年間測(cè)量了250多萬顆恒星位置的依巴谷衛(wèi)星，催生了數(shù)以千計(jì)的論文，從根據(jù)太陽在銀河系中的運(yùn)動(dòng)推出地球冰河期出現(xiàn)的頻率，到使用伽馬暴來搜尋地外文明，涵蓋的內(nèi)容可謂五花八門，
“依巴谷”提醒著我們，人類對(duì)恒星的勘測(cè)其實(shí)已有超過2000年的歷史?！耙腊凸取毙l(wèi)星得名于古希臘天文學(xué)家依巴谷，他生活在公元前190年至公元前120年，編纂了約850顆肉眼可見恒星的位置。他的星表一直沿用到16世紀(jì)，直到望遠(yuǎn)鏡發(fā)明前的幾十年，丹麥貴族第谷·布拉赫（Tycho Brahe）所編纂星表問世。從1576年到1597年，第谷和100名訪問天文學(xué)家在丹麥和瑞典之間島嶼上修建的天文臺(tái)里，僅使用六分儀和渾儀，勘測(cè)了1,000多顆恒星。
第谷于1601年去世后不久，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明在接下來的幾個(gè)世紀(jì)里引發(fā)了一場(chǎng)變革。但“蓋亞”的天圖將是另一個(gè)傳奇。它的心臟是一個(gè)有著十億像素的數(shù)碼相機(jī)，是迄今為止太空中最大的。它的穩(wěn)定性和靈敏度足以看到比肉眼可見最暗弱天體還要暗上400 000倍的天體，讓我們可以目睹銀河系迄今最真實(shí)的一面。
銀河系有著10萬光年的直徑，對(duì)于我們來說過于龐大，不可能跑到它的外面去對(duì)它拍照。雖然如此，之前的觀測(cè)已經(jīng)讓我們弄清楚，太陽就位于從銀河系中心到其邊緣的3/5處。天文觀測(cè)還顯示，我們的銀河系呈扁平的盤狀，其中穿插著由明亮恒星組成的旋臂。“蓋亞”將精確測(cè)量銀河系中絕大多數(shù)巨星的位置，哪怕它們位于比銀心更遠(yuǎn)的地方（銀心附近的塵埃云會(huì)遮蔽暗弱的天體），由此揭示出它們分布的全部細(xì)節(jié)。該項(xiàng)目的首席科學(xué)家蒂莫·普魯斯蒂（Timo Prusti）說：“‘蓋亞’將讓我們有史以來第一次獲得銀河系的圖像?！?/p>
“蓋亞”將運(yùn)行于距離地球約150萬千米的第二拉格朗日點(diǎn)L2，在遠(yuǎn)離地球大氣層輝光的地方對(duì)10億顆恒星展開細(xì)致的測(cè)繪。圖片來源：spacetelescope.org
然而，重要的不僅僅是天體的位置，它們的運(yùn)動(dòng)也將有助于解釋我們的銀河系是如何形成的。1718年，在將自己對(duì)大角、天狼星和畢宿五這3顆恒星的測(cè)量，與1800多年前古希臘人所做的觀測(cè)加以比較之后，英國天文學(xué)家愛德蒙·哈雷（Edmond Halley）率先注意到了恒星的運(yùn)動(dòng)。在那之前，天空中的大多數(shù)天體仍被稱為“恒星”（字面意思是“不變的星星”）。哈雷證明，事實(shí)并非如此。這意味著，除了位置和亮度之外，天文學(xué)家還能從恒星身上提取更多的信息：它們的速度和運(yùn)動(dòng)方向能提供關(guān)于整個(gè)銀河系的重要線索。
“蓋亞”項(xiàng)目成員、英國倫敦大學(xué)學(xué)院的天文學(xué)家馬克·克羅珀（Mark Cropper）說：“銀河系是我們唯一一個(gè)可以通過一顆一顆的恒星來研究的星系。如果你可以測(cè)量恒星的位置和速度，你就可以了解它們背后的物理機(jī)制?！边@些機(jī)制在數(shù)十億年的時(shí)間里，一直在塑造銀河系。
現(xiàn)在天文學(xué)家普遍認(rèn)為，類似銀河系這樣的大型星系，都經(jīng)歷過并合過程。一開始，多個(gè)較小星系之間會(huì)發(fā)生碰撞并合，但隨著這一過程的推進(jìn)，這些碰撞星系中的一個(gè)會(huì)變得非常巨大。它的引力會(huì)把較小的星系撕扯成星流，進(jìn)而將它們納入自身的整體轉(zhuǎn)動(dòng)中，只留下最細(xì)微的線索，暗示被吞并小星系之前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
“蓋亞”的相機(jī)測(cè)定一些恒星位置的精度可達(dá)百萬分之幾個(gè)角秒，相當(dāng)于可以分辨出月亮上的一只跳蚤。通過比較5年間的觀測(cè)結(jié)果，“蓋亞”能夠把以相似軌道繞著銀心轉(zhuǎn)動(dòng)的星流逐一分離出來。這將揭示出構(gòu)建我們銀河系的原初星系的遺跡。
目前，這一天文學(xué)家口中的銀河系考??古學(xué)，仍是一個(gè)夢(mèng)想。迄今已知的星流，數(shù)目非常少?！啊w亞’會(huì)把我們目前在星流研究上的靈敏度提高1000倍，”克羅珀說，“它將追蹤銀河系中大量的恒星，使銀河系考古學(xué)成為可能。我們將躍入一個(gè)新的時(shí)代?！边@不僅會(huì)告訴我們銀河系是如何形成的，還有助于我們更好地認(rèn)識(shí)整個(gè)宇宙的演化。
類似的搜尋甚至還能找到太陽失散的兄弟姐妹。45億年前，當(dāng)銀河系中的一團(tuán)氣體云發(fā)生坍縮時(shí)，形成了幾十萬顆恒星，我們的太陽只是其中的一員。時(shí)間和引力隨后對(duì)這個(gè)新生的星團(tuán)痛下殺手。它們聯(lián)手將其瓦解，把其中的恒星驅(qū)散到了銀河系中遠(yuǎn)離太陽的其他角落。盡管經(jīng)歷了這一動(dòng)蕩，孿生的這些恒星仍保留著和太陽相似的軌道——因此“蓋亞”追蹤恒星運(yùn)動(dòng)的能力，將給我們提供發(fā)現(xiàn)它們的機(jī)會(huì)。
有著相同軌道特征的恒星，不一定就是太陽的兄弟姐妹。不過，“蓋亞”還有幾招可以幫助我們識(shí)別出它們。它可以獲得所觀測(cè)天體的光譜，由此分析它們的化學(xué)組成。由于每一團(tuán)氣體云都有著自身特有的化學(xué)特征，因此太陽的兄弟姐妹都應(yīng)該有相同的化學(xué)指紋。雖然這是大海撈針，但克羅珀對(duì)此很樂觀：“如果我們能綜合所有的信息，也許就能找到太陽的兄弟姐妹，哪怕它們現(xiàn)在已經(jīng)散布于整個(gè)銀河系中?！?/p>
“蓋亞”將測(cè)繪銀河系內(nèi)的大約10億顆恒星，不只是測(cè)定它們的位置和距離，還將精確測(cè)量它們的運(yùn)動(dòng)。圖片來源：space.com
“蓋亞”的作用不會(huì)只限于幫助我們認(rèn)識(shí)銀河系。它還能讓我們更精確地測(cè)量視差，對(duì)于了解更大尺度的宇宙來說，這一點(diǎn)至關(guān)重要。普魯斯蒂說：“我們測(cè)量宇宙距離的精度，取決于對(duì)距離最近的恒星視差的測(cè)量精度?！?/p>
每隔6個(gè)月，相對(duì)于太陽，地球就會(huì)分處于公轉(zhuǎn)軌道的兩側(cè)。地球的這一運(yùn)動(dòng)意味著，相對(duì)于更遙遠(yuǎn)的背景恒星，一些近鄰恒星的位置會(huì)出現(xiàn)偏移。（這就好像你用一只眼睛看近處的物體，然后換另一只眼睛看，會(huì)發(fā)現(xiàn)它的位置會(huì)發(fā)生變化。）這一偏移的角度就是視差。一旦測(cè)得了視差，使用簡單的三角關(guān)系，就能計(jì)算出它的距離。
即使是距離我們最近的恒星，它的視差也很?。翰粫?huì)超過月球視直徑的0.05％?！吧w亞”敏銳的眼睛將測(cè)量它能看到的10億顆恒星的視差。由于視差距離是宇宙距離階梯的基石，因此這極為關(guān)鍵。這個(gè)逐級(jí)遞推的過程，使我們可以估計(jì)較遠(yuǎn)恒星的距離，接著可以估計(jì)近距星系的距離，然后一級(jí)一級(jí)地推向更遠(yuǎn)的地方。最終，這個(gè)標(biāo)尺可以涵蓋整個(gè)宇宙。
使用宇宙距離階梯來測(cè)量一顆恒星的距離，測(cè)得越精確，我們得到的它的光度就越精確，由此可以更加精確地知道它的產(chǎn)能量以及它的內(nèi)部正在發(fā)生什么。宇宙距離階梯最重要的臺(tái)階便是它的第一級(jí)，因?yàn)槿魏握`差都會(huì)影響到后面所有的梯級(jí)。更精確的距離測(cè)量也將加深我們對(duì)神秘暗能量的認(rèn)識(shí)，這種成分正在加速宇宙的膨脹。艾倫說：“‘蓋亞’會(huì)以前所未有的精度，把一個(gè)更廣袤的宇宙呈現(xiàn)在我們面前?！?/p>
肩負(fù)這么多使命，“蓋亞”歷經(jīng)幾十年的醞釀，也就不足為奇了。1993年，也就是在“依巴谷”衛(wèi)星停止工作的那一年，“蓋亞”第一次被提了出來，但直到2006年，歐空局才開始建造它，耗資6.5億歐元。
所有的科學(xué)目標(biāo)都取決于發(fā)射是否成功。點(diǎn)火的那一刻總是讓人窒息的?！皩?duì)于整個(gè)任務(wù)來說，這僅僅是一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，但它是實(shí)實(shí)在在的一瞬間，”普魯斯蒂說，“成敗在此一舉。”
如果一切順利的話，“蓋亞”會(huì)讓我們領(lǐng)略到一個(gè)全新的銀河系和宇宙?！啊w亞’將向我們展示各種驚人且意想不到的事情，”克羅珀說。這可是絕大多數(shù)的自拍做不到的。
編譯自：《新科學(xué)家》，Top of the Charts
天文學(xué)家估計(jì)，“蓋亞”會(huì)發(fā)現(xiàn)約2000顆的太陽系外行星。因?yàn)檫@些行星太小太暗，“蓋亞”無法直接觀測(cè)到它們。相反，“蓋亞”會(huì)通過它們對(duì)宿主恒星的影響來推斷出它們的存在。
在恒星的強(qiáng)大引力吸引行星的同時(shí)，行星也會(huì)吸引恒星，使得恒星的位置發(fā)生微小的晃動(dòng)。對(duì)于大約500光年以內(nèi)的恒星，“蓋亞”將能測(cè)量它們的此類運(yùn)動(dòng)。從地球大小的巖質(zhì)行星，到類似木星和土星的氣態(tài)巨行星，它能探測(cè)到的行星涵蓋了所有的類型。
這些行星在數(shù)量上，不會(huì)比美國宇航局的“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的太陽系外行星多很多。但是，“蓋亞”將搜索整個(gè)天空中的“近鄰”恒星，而不是像“開普勒”那樣，僅盯著銀河系中的一小片區(qū)域。
天文學(xué)家目前正在籌劃用于分析鄰近行星大氣的任務(wù)，因此“蓋亞”給出的這份星表將是無價(jià)的。
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