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“盖亚”：银河系的恒星勘测员
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Korey Haynes 文 Shea 编译 |
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天文学界正在为一个大家伙做准备，那就是整个银河系的壮观3维结构图。 天文学是最古老的科学分支。自古以来，人类就一直在守望天空，对天体进行编目，记录下新出现的天体，标记恒星的位置，绘制行星的游走。 数千年来，天文学已取得了巨大的进步，但有一些极为基本的问题仍然存在：恒星究竟在哪里？在宏观的架构下，地球在哪里？我们的银河系具有什么形状和结构？ 天文学家早就知道恒星并非是天空中2维的投影，但是测量恒星的距离一直都极其困难。若没有多年的数据积累，就算是跟踪恒星在天空中的2维运动都是难以实现的。 1989年，欧洲空间局发射了依巴谷卫星来测量250万颗恒星的位置，但是完整的星表直到2000年才发布。2013年，欧洲空间局发射了“盖亚”（Gaia）卫星，它将前所未有的精度来测量超过10亿颗的恒星。在希腊神话中，盖亚是大地女神，众神之母。欧洲空间的该任务原本是“全天天体物理学天体测量干涉仪”的缩写。尽管最终采用了截然不同的方案设计，但原先的名字仍然被保留了下来。  “盖亚”任务将持续到2019年，而最终的数据处理和分析结果预计将在此之后数年才会发布。不过，2016年9月“盖亚”的科学团队发布了其第一轮为期14个月的观测数据，这立刻引起了全世界天文学家的注意。对这些数据的研究结果已经开始在改变天文学家对我们银河系的看法。 用数字说话 “盖亚”的任务是“勘测10亿颗恒星”，但即使是这个大胆的目标也依然低估了这个空间天文台的真正能力。“盖亚”的轨道距离地球约150万千米，搭载有3台仪器来勘测整个天空。在“盖亚”为期5年的任务里，通过观测恒星的视运动，其天体测量仪器将精确测定它们的位置和运动。其测光相机将在红光和蓝光波段上测量恒星的亮度，提供有关其温度和成分的信息。最后，“盖亚”的分光仪会测量特定化学成分的多普勒频移，以揭示恒星是朝向还是远离地球运动。 最终，“盖亚”的目标是以优于10%的精度测定100万颗恒星的距离。对于1000万个天体，其距离的误差幅度将小于1％。以几个微角秒（1个微角秒=1/1000 000角秒）的精度，它将测量整个天空中暗至20等的10亿多颗恒星的位置和运动，这将碾压之前的任何天体测量项目。 不对，对于“盖亚”的第一期数据发布，它仍需要一些额外的帮助。“盖亚”通过测量恒星的视运动，以此来确定它们的距离。根据第一年所获得的数据，还无法把“盖亚”望远镜自身的运动与恒星的运动区分开，因为“盖亚”在跟着地球绕太阳转动。但是，对于“盖亚”所观测所有恒星中的数百颗恒星来说，依巴谷卫星已经测量了它们的视运动。依巴谷星表提供了20年前这些恒星的位置，“盖亚”则以更高的精度测量了现在它们的位置。这一时间跨度正是“盖亚”所需要的。 因此，“盖亚”团队将其目前所获得数据与依巴谷最终的星表——被称为依巴谷-第谷2星表——结合到一起。由此得到的第谷-盖亚天体测量解是“盖亚”更新整个天图的第一步，它最终将包含恒星更加精确的三维位置和运动。现在，这个解包含了200万颗恒星，测量的精度比依巴谷卫星高出了2倍。在“盖亚”任务结束之后，依巴谷的结果将被“盖亚”更精确的数据所取代。但与此同时，依巴谷也会借“盖亚”一臂之力。  恒星的阶梯 “盖亚”的一大任务是校准宇宙距离尺度，这需要一些恒星的参与。天文学家会使用两种类型的变星，分别为造父变星和天琴RR变星，它们会在特定的时间尺度上规律地增亮和变暗。它们增亮和变暗所花的时间与它们固有的发光能力之间有着密切的关系。因此，如果有两颗造父变星有着相同的光变周期，但其中一个看上去更暗，那么这颗造父变星必然更加遥远。通过测量光变周期和亮度，天文学家可以确定它的距离。 然而，要想让这个方法能有效地工作，天文学家必须对周期和光度间的关系有很好的了解。为了校准这一关系，需要事先知道这些变星中一部分的距离。“盖亚”将对距离较近的这些变星进行视差测量。视差是由于地球围绕太阳的轨道运动所导致的恒星视位置的改变。在夏季，当地球和“盖亚”（它就位于地球之后的一个固定点上）位于太阳系的一边时，可以看到一颗近距恒星出现在一片特定的背景恒星前；在冬季，地球和“盖亚”运动到了太阳系的另一边，使得所在的位置改变了2个天文单位，会看到该恒星位于不同的背景恒星前。1个天文单位相当于地球到太阳的平均距离。 你可以很容易地模拟视差现象：在自己面前竖起一根手指，分别用左、右眼看它，会看到它相对于远处背景参照物的位置变化。因此，在天文学中，近距恒星会比远距恒星有着更大的视位置改变，这一视位置可以揭示出它到地球的真正几何距离。这一独立的距离测量使得天文学家可以校准变星的光变周期与其光度间的关系。 在“盖亚”的任务结束时，这两者的相关性应该会被测定得非常精准。准确测量近距恒星的距离，“收紧”周期与光度间的关系，能让天文学家把这一距离阶梯拓展到更遥远的恒星上，从而获得遥远变星的精确距离。  昴星团仍在其位 除了视差测量之外，天文学家还有许多方法可以估计恒星的距离，尤其是那些明亮且已经被很好研究的恒星系统。 一种方法是使用恒星模型来确定它的发光功率，从而计算出其距离。施用这一方法有一定的难度，但是当许多不同的研究得到相同的结果时，就会得到天文学家们的认可。所以，到了20世纪90年代中期，天文学家们都普遍认为，著名的昴星团的距离约为430光年。 “盖亚”的前任依巴谷卫星肩负了与它同样的工作，来测量大量恒星的精确位置。但是，依巴谷却发现昴星团的距离值令人惊讶，只有390光年。即使在2007年对原始数据进行重新处理之后，这一数值仍然保持不变，几乎与其他任何一种方式测得的昴星团距离都不符。 “盖亚”的任务之一就是解决这个争端。虽然“盖亚”的第一期数据大部分都与依巴谷星表相符，但昴星团的距离则与其他测量方法相一致。当然，“盖亚”的第一数据仍然包含系统误差和较大的统计误差，这让天文学家还无法得到肯定的结论，但这一初步的结果表明，依巴谷的测量结果应该是存在问题。  第一步 天文学家能用“盖亚”公开的第一期数据做些什么呢？很多。 “盖亚”的目标之一是提供更新的银河系图。“盖亚”星表中有约4亿个天体对于人类来说是全新的，因为它们以前被认为是单个的天体，但新的测量则它们解析成了多颗恒星。 此外，通过使用第谷-盖亚天体测量解，天文学家可以更好地了解恒星的运动，这些运动可以为银河系及其卫星系的结构提供有用的信息。 “盖亚”带来的第一个惊喜是银河系的惊人影像。虽然确切的数据仍有待后续的数据分析结果，但这些图像的清晰度和恒星的数目表明，银河系比此前估计的更大。更确切地说，银河系的卫星系大麦哲伦云也比预期的要更大。天文学家可以从外部来研究这个小型星系，“盖亚”的数据显示它的引力束缚住了比预期更多的恒星。 对“盖亚”的测量结果所做的一个绚丽测试便是制作一幅颜色-星等图，即画出恒星的颜色与其星等之间的关系，这幅图可以告诉天文学家恒星的类型以及它们的演化阶段。在大多数情况下，这些图是根据恒星的天体物理模型所画的，而非真实的观测数据。但“盖亚”的敏锐视觉和测量已经为构建一幅这样的草图提供了足够的数据，它完整的星表应该会能绘制出一幅异常清晰的颜色-星等图，让天文学家们能检验已有的恒星模型。 “盖亚”还在银河系中发现了1 394颗变星，这些变星在观测的时间段内发生了亮度变化。这其中有386颗在此前的研究中从来没有被观测过。这些变星是“盖亚”的第一波目标，将帮助完成其主要的科学目标。  意外发现 即便是在第一期数据发布之前，“盖亚”就给天文学家们带来了一些惊喜。数据处理小组会挑选出有兴趣的天体，可以进行快速地研究，例如爆发的恒星、黑洞或超新星。这些天体的爆发很可能在数据正式发布之前就已经平息下来了，只有实时发布才能让天文学家使用其他望远镜对其进行跟进观测。 2014年9月，“盖亚”发布了一颗它所发现的超新星，命名为盖亚14aaa。“盖亚”看到该超新星的宿主星系在前后2个月的时间里急剧增亮，天文学家们迅速使用2架地面望远镜对其进行了观测。通过研究它的光谱，确定它是一颗明亮的Ia型超新星，它是一颗白矮星吸积其伴星的物质进而爆炸粉碎时所发生的现象。 另一个令人惊讶的天体是盖亚14aae，于2014年8月爆发增亮。天文学家最终确定这是一颗激变变星，它是一个正在相互吞食的双星系统。突然间地吞食物质会导致强劲的爆发。天文学家和天文爱好者都跟进对它进行了观测，结果发现这个双星不含有任何氢，而氢是宇宙中恒星最主要的成分。这两颗恒星都是老年恒星，已耗尽了所有可用的氢，是一类罕见的激变变星，被称为猎犬AM型变星。 具有全天的视野，“盖亚”的巡天将会不断地发现暂现源，天文学家们可以在它数据发布的间隙来对它们进行跟进研究。  自由获取 在整个巡天完成、测量结果得到了全面的分析之后，欧洲空间花了很多年的时间才发布了依巴谷星表。“盖亚”则改变这一模式。虽然巡天观测还没有最终完成，但“盖亚”的科学团队认为，在处理数据伊始就向全世界免费开放会具有重大的价值和意义。 根据“盖亚”发布的第一期数据，有天文学家从中抽取出了一个完全意外之外的变星子表。未来，“盖亚”将会给出一个完整的变星星表，它们会充当宇宙距离尺度上极为珍贵的刻度线。但到目前为止，受限于“盖亚”的观测时间这个子星表还很小。 使用“盖亚”的测光不确定性，天文学家发现这些具有较高不确定性的恒星实际上正是天文学家们梦寐以后的目标。虽然这些变星并没有被“盖亚”团队正式归类，但天文学家把这些“盖亚”源与过去的星表进行了比较，确认它们是真实的。这让天文学家在数据上有了一个跳跃式的开始，否则他们将不得不等待到下一期数据发布才能检验有关的结果，而这预期要等到2018年4月。 除了变星之外，也有天文学家使用“盖亚”的第一期数据来测量了奥尔特常数。奥尔特常数以扬·奥尔特——他还预言了奥尔特云的存在——命名，是两个描述银河系自转的参数。通过观测银河系中的大量恒星并研究它们的运动特性，可以确定奥尔特常数的数值。使用“盖亚”的第一期数据，计算机在几分钟内就计算出了它们的最新值，这些结果比以往任何时候得到的都要更好。 还有天文学家正在利用“盖亚”的第一期数据来研究恒星相对于银盘运动与其年龄之间的关系。长久以来天文学家就已经知道，随和年龄的增长，恒星的运动速度会越来越快，但这两者之间的确切关系却一直难以确定。在天文学中，确定恒星年龄一直是个问题。毕竟，人类的寿命远不足以目睹恒星的诞生和死亡。大多数天文学家对年龄的测量都存在较大的不确定性，或者严重地依赖于理论模型。然而，有了“盖亚”的精度以及它的初步成果，下一代天文学家也许可以根据恒星的速度得到它们的精确年龄。 “盖亚”并不是唯一一个将其数据公开的大型天文项目。开普勒任务和斯隆数字巡天等也都将它们的数据向所有人开放，让所有人来挖掘其中所隐藏的科学宝藏。 “盖亚”的主任务阶段预计会延续到2019年。随着其星表的日趋成熟，“盖亚”将通过视向速度发现太阳系外行星，为银河系结构提供更为清晰的影像。到目前为止，我们只看到了九牛之一毛，会有更多、更意外的科学发现在等着我们。 |
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[Astronomy 2017年06月]
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2001-2018 火流星工作组制作
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