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盖亚探测器:探索新的宇宙

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发表于 2016-11-10 22:01:25 | 显示全部楼层 |阅读模式
  我们即将要获得银河系以及宇宙迄今最详尽的地图。这将是有史以来最大的自拍。在盖亚空间望远镜发射之后,它将以前所未有的精度对银河系中的十亿颗恒星进行勘测,进而从根本上改变我们对周遭宇宙的认识。

  如果一切按计划进行,欧洲航天局的这一大胆计划将使用俄罗斯的“联盟”火箭从法属圭亚那发射升空,然后飞行到距离地球150万千米远的太空。远离地球大气层的辉光,“盖亚”将绕着太阳转动并开始缓慢地自转,在未来的5年里测量每一个进入其视场的天体。除了测绘银河系中1%的恒星——约十亿颗——之外,它还将会搜寻围绕其他恒星的行星,监视我们太阳系中的小行星,精确定位几十万个遥远的河外星系。这将是一段发现之旅。“‘盖亚’将会彻底改变天文学,这话我不是随便说的,”“盖亚”团队成员、英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的彼得·艾伦(Peter Allan)说。


  Stuart Clark 文 Shea 编译


  精准的天图将会是一件强有力的武器。作为“盖亚”的前身,依巴谷卫星——在1989年到1993年间测量了250多万颗恒星的位置——催生了数以千计的论文,内容涵盖从根据太阳在银河系中的运动推出地球冰河期出现的频率到星团动力学以及使用γ射线暴来寻找地外文明。
  “依巴谷”提醒着我们,其实人类对恒星的勘测已有超过2000年的历史。依巴谷卫星以生活在公元前190年至公元前120年的古希腊天文学家依巴谷命名,他编纂了约850颗肉眼可见恒星的位置。他的星表一直沿用到16世纪而没有大的变化,直到望远镜发明前的几十年丹麦贵族第谷·布拉赫(Tycho Brahe)所编纂星表的问世。从1576年到1597年,仅使用六分仪和浑仪,第谷和100名访问天文学家在丹麦和瑞典之间岛屿上修建的天文台里勘测了1,000多颗恒星。


  晃动的行星


  天文学家估计,“盖亚”会发现约2,000颗的太阳系外行星。因为太小且太暗,“盖亚”无法直接观测到这些行星。相反,它会通过它们对宿主恒星的影响来推断出它们的存在。
  在恒星的强大引力吸引行星的同时,行星也会吸引恒星,使得恒星的位置发生微小的晃动。“盖亚”将能测量约500光年之内恒星的这些运动。它所能探测到的行星涵盖了从地球大小的岩质行星到类似木星和土星的气态巨行星不等。

  这些行星并不会比由美国宇航局的开普勒空间望远镜所发现的太阳系外行星多得多。但是,“盖亚”将搜索整个天空中的“近邻”恒星,而不是像“开普勒”那样仅盯着银河系中的一小片区域。
  由于天文学家们目前正在筹划用来分析邻近行星大气的任务,“盖亚”给出的这份星表将会是无价的。

盖亚探测器:探索新的宇宙

盖亚探测器:探索新的宇宙


  宇宙自拍


  在第谷于1601年去世后不久,望远镜发明在随后的几个世纪里引发了一场变革。但“盖亚”的天图将会是另一个传奇。在它的心脏是一个有着十亿像素的数码相机——迄今太空中最大的。它的稳定性和灵敏度足以看到比肉眼可见最暗弱天体还要暗上400,000倍的天体,让我们可以目睹银河系迄今最真实的一面。

  有着10万光年的直径,银河系对于我们来说过于庞大,不可能跑到它的外面来对它拍照。虽然如此,之前的观测已经让我们弄清楚,太阳就位于从银河系中心到其边缘的五分之三处。天文观测还显示,我们的银河系呈扁平的盘状,其中穿插着由明亮恒星组成的旋臂。“盖亚”将精确测量银河系中绝大多数巨星的位置,哪怕它们位于比银心更远的地方(银心附近的尘埃云会遮蔽暗弱的天体),由此揭示出它们分布的全部细节。“‘盖亚’将让我们有史以来第一次获得银河系的图像,”该项目的首席科学家蒂莫·普鲁斯蒂(Timo Prusti)说。

  然而,重要的并不仅仅是天体的位置,它们的运动也将有助于解释我们银河系是如何形成的。1718年通过把自己对大角、天狼星和毕宿五这三颗恒星的测量和1800多年前古希腊的结果进行比较,英国天文学家爱德蒙·哈雷(Edmond Halley)率先注意到了恒星的运动。直到那时,天空中的天体仍被称为“不变的星星”(恒星)。哈雷证明事实并非如此。这意味着,除了位置和亮度之外,天文学家还能从恒星身上提取更多的信息:它们的速度和运动方向能提供有关整个银河系的重要线索。

  “银河系是我们唯一一个可以通过一颗一颗恒星来研究的星系。如果你可以测量位置和速度,你就可以了解其背后的物理机制,”“盖亚”项目成员、英国伦敦大学学院的天文学家马克·克罗珀(Mark Cropper)说。这些机制在数十亿年的时间里一直在塑造银河系。

  现在普遍认为,类似银河系这样的大型星系都经历过并合过程。它一开始是多个较小星系之间的碰撞并合,但随着这一过程的推进,这些碰撞星系中的一个会变得非常巨大。它的引力会把较小的星系撕扯成星流,进而被纳入其自身的整体转动中,仅仅留下有关被吞并小星系之前运动的最细微线索。
  “盖亚”的相机可以以百万分之几个角秒的精确来测定一些恒星的位置,相当于可以分辨出月亮上的一只跳蚤。通过比较5年间的观测结果,“盖亚”将能把以相似的轨道绕银心转动的星流一一分离出来。这将揭示出构建我们银河系的原初星系的遗迹。

  目前,这一天文学家们口中的银河系考古学仍是一个梦境。迄今已知的星流数目非常少。“‘盖亚’会把我们现在在星流研究上的灵敏度提高1,000倍,”克罗珀说,“它将追踪银河系中大量的恒星,使银河系考古学成为可能。我们将一跃进入一个新的时代。”这不仅会告诉我们银河系是如何形成的,还将有助于我们对整个宇宙演化的认识。
  类似的搜寻甚至还能找到太阳失散的兄弟姐妹。45亿年前当银河系中的一个气体云发生坍缩时,形成了几十万颗的恒星,我们的太阳只是其中的一员。时间和引力随后对这个新生的星团痛下杀手。它们联手将其瓦解,把其中的恒星驱散到了银河系中远离太阳的其他角落。尽管经历了这一动荡,孪生的这些恒星仍保留着和太阳相似的轨道——因此“盖亚”追踪恒星运动的能力将给予我们发现它们的机会。

  有着相同轨道特征的恒星并不一定就是太阳的兄弟姐妹。不过,“盖亚”还有几招可以帮助我们识别出它们。它可以获得所观测天体的光谱,由此分析它们的化学组成。由于每一个气体云都有着自身特有的化学特征,因此太阳的兄弟姐妹都应该有相同的化学指纹。虽然这是大海捞针,但克罗珀对此很乐观:“如果我们能综合所有的信息,也许就能找到太阳的兄弟姐妹,哪怕它们现在已经散布于整个银河系中。”

  “盖亚”的作用将不会只限于帮助我们认识银河系。它还能让我们更精确地测量视差,这对于了解更大尺度的宇宙来说至关重要。“我们测量宇宙距离的精度精度取决于对距离最近的恒星视差的测量精度,”普鲁斯蒂说。

  每过6个月,地球就会分别位于其绕太阳公转轨道的两侧。地球的这一运动意味着,相对于更遥远的背景恒星,一些近邻恒星的位置会出现偏移。(这与你用一只眼睛看近处的物体、然后换另一只眼睛看发现其位置会发生变化是相同的。)这一偏移的角度就是视差。一旦测得了视差,使用简单的三角关系就能计算出距离。

  即使是距离我们最近的恒星,其视差也很小:不超过月球视直径的0.05%。“盖亚”敏锐的眼睛将会测量它所能看到的10亿颗恒星的视差。由于视差距离是宇宙距离阶梯的基石,因此这极为关键。这个逐级递推的过程使我们可以估计较远恒星的距离,接着可以估计近距星系的距离,然后一级一级地推向更远的地方。最终,这个标尺可以涵盖整个宇宙。

  使用宇宙距离阶梯来测量一颗恒星的距离越精确,我们得到的它的光度就越精确,由此可以更加精确地知道它的产能量以及其内部正在发生什么。宇宙距离阶梯最重要的台阶便是它的第一级,因为任何误差都会影响到后面所有的梯级。更精确的距离测量也将使我们能够加深对神秘暗能量——正在加速宇宙的膨胀——的认识。“‘盖亚’会以前所未有的精度把一个更广袤的宇宙呈现在我们面前,”艾伦说。

  肩负这么多的使命,“盖亚”历经几十年的酝酿也就不足为奇了。1993年,也就是在“依巴谷”停止工作的那一年,“盖亚”第一次被提了出来,但直到2006年欧空局才开始建造它,耗资6.5亿欧元。
  所有的科学目标都取决于发射是否成功。点火的那一刻总是让人窒息的。“对于整个任务来说,这仅仅是一个时间节点,但它却是实实在在的一瞬间,”普鲁斯蒂说,“成败在此一举。”
  如果一切顺利的话,“盖亚”会让我们领略到一个全新的银河系和宇宙。“‘盖亚’将向我们展示各种惊人且意想不到的事情,”克罗珀说。这可是绝大多数的自拍所做不到的。

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