歐洲空間局的“蓋亞”空間望遠鏡成功發(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(lái)源：meteoweb.eu
（文/ Stuart Clark）這將是有史以來(lái)最大的自拍。在蓋亞空間望遠鏡發(fā)射之后，它將以前所未有的精度對銀河系中的10億顆恒星進(jìn)行勘測，進(jìn)而從根本上改變我們對周遭宇宙的認識。
2013年12月19日，歐洲航天局的這一大膽計劃，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(wàn)千米遠的太空。在那個(gè)遠離地球大氣層輝光的地方，“蓋亞”將繞著(zhù)太陽(yáng)轉動(dòng)，并開(kāi)始緩慢自轉，在未來(lái)5年的時(shí)間里測量每一個(gè)進(jìn)入其視場(chǎng)的天體。除了測繪銀河系中的大約10億顆恒星（約占銀河系恒星總數的1%）以外，它還會(huì )搜尋圍繞其他恒星的行星，監視我們太陽(yáng)系中的小行星，精確定位幾十萬(wàn)個(gè)遙遠的河外星系。這將是一段發(fā)現之旅?！吧w亞”團隊成員、英國盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗室的彼得·艾倫（Peter Allan）說(shuō)：“‘蓋亞’將徹底改變天文學(xué)，這話(huà)我不是隨便說(shuō)的?！?/p>
精準的天圖將是一件強有力的武器。作為“蓋亞”的前身，1989年到1993年間測量了250多萬(wàn)顆恒星位置的依巴谷衛星，催生了數以千計的論文，從根據太陽(yáng)在銀河系中的運動(dòng)推出地球冰河期出現的頻率，到使用伽馬暴來(lái)搜尋地外文明，涵蓋的內容可謂五花八門(mén)，
“依巴谷”提醒著(zhù)我們，人類(lèi)對恒星的勘測其實(shí)已有超過(guò)2000年的歷史?！耙腊凸取毙l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(jiàn)恒星的位置。他的星表一直沿用到16世紀，直到望遠鏡發(fā)明前的幾十年，丹麥貴族第谷·布拉赫（Tycho Brahe）所編纂星表問(wèn)世。從1576年到1597年，第谷和100名訪(fǎng)問(wèn)天文學(xué)家在丹麥和瑞典之間島嶼上修建的天文臺里，僅使用六分儀和渾儀，勘測了1,000多顆恒星。
第谷于1601年去世后不久，望遠鏡的發(fā)明在接下來(lái)的幾個(gè)世紀里引發(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(zhù)十億像素的數碼相機，是迄今為止太空中最大的。它的穩定性和靈敏度足以看到比肉眼可見(jiàn)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(zhù)10萬(wàn)光年的直徑，對于我們來(lái)說(shuō)過(guò)于龐大，不可能跑到它的外面去對它拍照。雖然如此，之前的觀(guān)測已經(jīng)讓我們弄清楚，太陽(yáng)就位于從銀河系中心到其邊緣的3/5處。天文觀(guān)測還顯示，我們的銀河系呈扁平的盤(pán)狀，其中穿插著(zhù)由明亮恒星組成的旋臂?！吧w亞”將精確測量銀河系中絕大多數巨星的位置，哪怕它們位于比銀心更遠的地方（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節。該項目的首席科學(xué)家蒂莫·普魯斯蒂（Timo Prusti）說(shuō)：“‘蓋亞’將讓我們有史以來(lái)第一次獲得銀河系的圖像?！?/p>
“蓋亞”將運行于距離地球約150萬(wàn)千米的第二拉格朗日點(diǎn)L2，在遠離地球大氣層輝光的地方對10億顆恒星展開(kāi)細致的測繪。圖片來(lái)源：spacetelescope.org
然而，重要的不僅僅是天體的位置，它們的運動(dòng)也將有助于解釋我們的銀河系是如何形成的。1718年，在將自己對大角、天狼星和畢宿五這3顆恒星的測量，與1800多年前古希臘人所做的觀(guān)測加以比較之后，英國天文學(xué)家愛(ài)德蒙·哈雷（Edmond Halley）率先注意到了恒星的運動(dòng)。在那之前，天空中的大多數天體仍被稱(chēng)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(zhù)，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：它們的速度和運動(dòng)方向能提供關(guān)于整個(gè)銀河系的重要線(xiàn)索。
“蓋亞”項目成員、英國倫敦大學(xué)學(xué)院的天文學(xué)家馬克·克羅珀（Mark Cropper）說(shuō)：“銀河系是我們唯一一個(gè)可以通過(guò)一顆一顆的恒星來(lái)研究的星系。如果你可以測量恒星的位置和速度，你就可以了解它們背后的物理機制?！边@些機制在數十億年的時(shí)間里，一直在塑造銀河系。
現在天文學(xué)家普遍認為，類(lèi)似銀河系這樣的大型星系，都經(jīng)歷過(guò)并合過(guò)程。一開(kāi)始，多個(gè)較小星系之間會(huì )發(fā)生碰撞并合，但隨著(zhù)這一過(guò)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動(dòng)中，只留下最細微的線(xiàn)索，暗示被吞并小星系之前的運動(dòng)狀態(tài)。
“蓋亞”的相機測定一些恒星位置的精度可達百萬(wàn)分之幾個(gè)角秒，相當于可以分辨出月亮上的一只跳蚤。通過(guò)比較5年間的觀(guān)測結果，“蓋亞”能夠把以相似軌道繞著(zhù)銀心轉動(dòng)的星流逐一分離出來(lái)。這將揭示出構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(shuō)，“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識整個(gè)宇宙的演化。
類(lèi)似的搜尋甚至還能找到太陽(yáng)失散的兄弟姐妹。45億年前，當銀河系中的一團氣體云發(fā)生坍縮時(shí)，形成了幾十萬(wàn)顆恒星，我們的太陽(yáng)只是其中的一員。時(shí)間和引力隨后對這個(gè)新生的星團痛下殺手。它們聯(lián)手將其瓦解，把其中的恒星驅散到了銀河系中遠離太陽(yáng)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(zhù)和太陽(yáng)相似的軌道——因此“蓋亞”追蹤恒星運動(dòng)的能力，將給我們提供發(fā)現它們的機會(huì )。
有著(zhù)相同軌道特征的恒星，不一定就是太陽(yáng)的兄弟姐妹。不過(guò)，“蓋亞”還有幾招可以幫助我們識別出它們。它可以獲得所觀(guān)測天體的光譜，由此分析它們的化學(xué)組成。由于每一團氣體云都有著(zhù)自身特有的化學(xué)特征，因此太陽(yáng)的兄弟姐妹都應該有相同的化學(xué)指紋。雖然這是大海撈針，但克羅珀對此很樂(lè )觀(guān)：“如果我們能綜合所有的信息，也許就能找到太陽(yáng)的兄弟姐妹，哪怕它們現在已經(jīng)散布于整個(gè)銀河系中?！?/p>
“蓋亞”將測繪銀河系內的大約10億顆恒星，不只是測定它們的位置和距離，還將精確測量它們的運動(dòng)。圖片來(lái)源：space.com
“蓋亞”的作用不會(huì )只限于幫助我們認識銀河系。它還能讓我們更精確地測量視差，對于了解更大尺度的宇宙來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。普魯斯蒂說(shuō)：“我們測量宇宙距離的精度，取決于對距離最近的恒星視差的測量精度?！?/p>
每隔6個(gè)月，相對于太陽(yáng)，地球就會(huì )分處于公轉軌道的兩側。地球的這一運動(dòng)意味著(zhù)，相對于更遙遠的背景恒星，一些近鄰恒星的位置會(huì )出現偏移。（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。一旦測得了視差，使用簡(jiǎn)單的三角關(guān)系，就能計算出它的距離。
即使是距離我們最近的恒星，它的視差也很?。翰粫?huì )超過(guò)月球視直徑的0.05％?！吧w亞”敏銳的眼睛將測量它能看到的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)逐級遞推的過(guò)程，使我們可以估計較遠恒星的距離，接著(zhù)可以估計近距星系的距離，然后一級一級地推向更遠的地方。最終，這個(gè)標尺可以涵蓋整個(gè)宇宙。
使用宇宙距離階梯來(lái)測量一顆恒星的距離，測得越精確，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)能量以及它的內部正在發(fā)生什么。宇宙距離階梯最重要的臺階便是它的第一級，因為任何誤差都會(huì )影響到后面所有的梯級。更精確的距離測量也將加深我們對神秘暗能量的認識，這種成分正在加速宇宙的膨脹。艾倫說(shuō)：“‘蓋亞’會(huì )以前所未有的精度，把一個(gè)更廣袤的宇宙呈現在我們面前?！?/p>
肩負這么多使命，“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”衛星停止工作的那一年，“蓋亞”第一次被提了出來(lái)，但直到2006年，歐空局才開(kāi)始建造它，耗資6.5億歐元。
所有的科學(xué)目標都取決于發(fā)射是否成功。點(diǎn)火的那一刻總是讓人窒息的?！皩τ谡麄€(gè)任務(wù)來(lái)說(shuō)，這僅僅是一個(gè)時(shí)間節點(diǎn)，但它是實(shí)實(shí)在在的一瞬間，”普魯斯蒂說(shuō)，“成敗在此一舉?！?/p>
如果一切順利的話(huà)，“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(shuō)。這可是絕大多數的自拍做不到的。
編譯自：《新科學(xué)家》，Top of the Charts
天文學(xué)家估計，“蓋亞”會(huì )發(fā)現約2000顆的太陽(yáng)系外行星。因為這些行星太小太暗，“蓋亞”無(wú)法直接觀(guān)測到它們。相反，“蓋亞”會(huì )通過(guò)它們對宿主恒星的影響來(lái)推斷出它們的存在。
在恒星的強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)。對于大約500光年以?xún)鹊暮阈?，“蓋亞”將能測量它們的此類(lèi)運動(dòng)。從地球大小的巖質(zhì)行星，到類(lèi)似木星和土星的氣態(tài)巨行星，它能探測到的行星涵蓋了所有的類(lèi)型。
這些行星在數量上，不會(huì )比美國宇航局的“開(kāi)普勒”空間望遠鏡發(fā)現的太陽(yáng)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(kāi)普勒”那樣，僅盯著(zhù)銀河系中的一小片區域。
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(wú)價(jià)的。
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