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Gaia巡天:空间天体测量里程碑 精选

已有 7020 次阅读 2018-5-2 13:27 |个人分类:科普文章|系统分类:科普集锦| Gaia, 天体测量, 国际合作

出品:科普中国
制作:中国科学院上海天文台天文科传团队 左文文 齐朝祥 廖石龙
监制:中国科学院计算机网络信息中心

北京时间2018年4月25日18点,欧空局盖亚(Gaia)空间天体测量卫星项目发布了第二批科学数据(Gaia DR2),迅速引起了近乎整个天文学界的关注。基于新发布的数据,天文学家有望在银河系和太阳系的结构、形成与演化、恒星物理乃至宇宙学和基本物理学等领域获取突破性的结果。 

作为参与该项目天体测量工作的亚洲唯一单位,中国科学院上海天文台也扮演了重要的作用。接下来,就让我们了解下Gaia卫星、上海天文台的参与和贡献以及Gaia DR2   给天文领域带来了哪些新发现? 

Gaia卫星 

Gaia卫星,堪称全新一代空间天体测量卫星,旨在精确观测银河系内数以亿计的恒星,从而实现银河系三维勘察,绘制出银河系最精确、最大的三维“地图”,解释银河系的组成、形成和演化。经过500多名国际科研人员历时20多年的艰苦研发,Gaia卫星于2013年12月19日成功发射,进入日地拉格朗日L2点附近工作,L2点位于太阳和地球连线上的地球同侧,到地球的距离为150万千米。在L2点,卫星仅需要消耗很少的燃料便可以长期驻留,围绕L2作圆周运动。 

     

  图1:拉格朗日L2点的示意图,图片版权:ESA

盖亚卫星不是第一颗要丈量银河系的空间卫星。欧空局曾于1989年8月8日发射空间天体测量卫星依巴谷,虽然未能抵达设计中的地球同步轨道,但依巴谷卫星在一个狭长的椭圆轨道上顺利完成了所有科学任务。1993年,我们与依巴谷卫星中止通讯。1996年8月,欧空局发布依巴谷星表和第谷星表,前者包含了11.8万颗恒星的位置信息,位置精度达千分之一角秒;后者包含了超过200万颗恒星,只是位置精度要低于前者。 

相较于依巴谷卫星,Gaia卫星可将天体三维位置(从方向和视差信息获取)和切向速度(从自行数据获取)测量精度提高了100多倍,等效的角度测量精度达到10微角秒(1角秒等于三千六百分之一角度)水平。 

如果把依巴谷的测量精度比作从地球能看到月球表面的宇航员高度,那么Gaia的测量精度就相当于从地球能看见月球表面的一枚硬币尺寸。 

在观测目标上,Gaia也提高很多倍,总观测目标远超过10亿颗天体。有距离精度保证的探测范围将完全覆盖整个银河系。除此之外,Gaia 还将测量约1.5亿颗亮于17星等的恒星的视向速度信息,综合这些天体的三维位置、三维运动和测光信息将开启天文学的新篇章。 


图2:左:银道坐标系下的Gaia DR2 源密度分布图;右:Gaia DR2的星等分布  

上海天文台是参与Gaia项目天体测量工作的亚洲唯一单位 

中国科学院上海天文台是参与Gaia项目天体测量工作的亚洲唯一单位。2013年2月上海天文台天体测量团组(当时主要成员:齐朝祥、廖石龙、唐正宏、于涌、赵铭等人)代表上海天文台与Gaia数据处理中心之一的意大利都灵天文台签署了在Gaia天体测量数据处理上的正式合作协议,成为Gaia任务天体测量数据处理核心单元CU3的正式成员,并正式介入欧空局空间项目。 

在Gaia项目前期,双方针对Gaia卫星天体测量数据处理方法、模型和星表构建等内容进行了多次交流合作。尤其是针对Gaia数据处理中的常规单天天体测量解算问题,上海天文台提出了对Gaia的单天天体测量数据进行快速解算来实时检测观测数据的质量情况的想法,并对不同数据处理模型的解算结果进行了比较,编制了相应的归算软件。 

Gaia卫星上携带了两个望远镜,观测过程中两者指向的夹角(基本角)固定维持在106.5度,通过从两个方向精确测量不同天区天体间的相对位置,可实现天体位置和距离的精确测量。因此,这一独特设计的成败与否,取决于基本角能否稳定住。根据设计,夹角的变化量不能超过4微角秒。 

  图3.  Gaia卫星的示意图,在其遮阳帆布上方其有两个夹角为106.5度的指向镜,用来测量不同天区天体间的角距离,这种独特设计的目的是为了测量绝对视差。随着卫星自身转动和绕太阳运动,最终基于多年观测数据可解算出这些天体的高精度天体测量参数(赤经、赤纬、绝对视差、自行)。图片来源:ESA 

然而,2014年卫星观测试运行期间,监测望远镜指向的星载激光干涉系统显示,基本角存在超出预期的突变、长周期变化以及振幅为1毫角秒的6小时短周期变化等棘手问题。如果不解决超预期的基本角变化问题,整个项目将无法实现预期目标,工程将面临失败的风险。 

针对此问题,当时作为双方共同培养的上海天文台博士研究生廖石龙(现为上海天文台助理研究员)在双方导师的指导下,非常出色地完成了《Gaia 短期天体测量数据的重建与分析》 的博士论文。 

独立于欧空局其它单位,上海天文台提出一种方案,基于实测的天体数据,利用独创的同时性较差观测的原理独立校验,解算卫星基本角的变化,并与卫星携带的激光干涉监测系统的结果进行交叉对比,核实并独立获得卫星基本角变化的各种周期和振幅数据。而经核实的基本角变化数据是Gaia数据分析处理中心对其最终科学数据进行修正的必备基准数据。 

目前,上海天文台已经将这套方案编制成相应的处理软件,在位于意大利都灵的Gaia天体测量数据处理中心运行,默默地为广大数据用户提供基准服务。这些工作也获得了国内天体测量同行的认可和支持,同时获得了国家自然基金的资助。 

 
图4:左:卫星基本角探测器检测到的6小时周期变化;右:上海台团组任意选取的某天观测数据得到的6小时周期振幅的天体测量数据验证结果,横坐标是同时性观测选取条件,纵坐标是6小时周期振幅。这与星载激光干涉结果一致性较好。左图版权:ESA,右图版权:上海天文台

Gaia DR2新成果提前看 

与HIPPARCOS和Tycho-2星表作为先验值的第一批数据(于2016年9月发布)不同的是,本次释放的Gaia第二批数据完全来源于Gaia在2014年6月25日至2016年5月23日期间共668天的观测数据处理而成。Gaia DR2包含以下内容: 

1)总计17亿颗目标的天球位置和Gaia G星等(G波段星等介于3到21等之间);这里需注意,星表中天体位置和运动数据的时刻是J2015.5使用的空间参考系是ICRS,而非传统的J2000.0平赤道参考系和J2000.0位置时刻。 

2)多于13亿颗目标的三角视差(依据视差,可以计算出距离)、自行以及蓝/红测光信息。对于G波段星等亮于15等的天体,视差精度约0.04毫角秒,自行精度约0.06毫角秒/年;对于G波段星等等于17星等的天体,视差精度约0.1毫角秒,自行精度0.2毫角秒/年;对于暗端(G波段星等等于20星等)的天体,视差精度0.7毫角秒,自行精度1.2毫角秒/年; 

3)多于700万颗目标的视向速度信息,其中亮端精度达到200-300米/秒,暗端精度约为1.2千米/秒; 

4)天体物理参数:1.61亿颗亮于17星等目标的表面温度信息(3000开尔文至10000开尔文)、8700万颗目标的消光、红化信息,7600万颗目标的半径和亮度信息; 

5)50万颗变星的光度曲线和分类信息; 

6)基于150万次有效观测数据给出14099个太阳系内天体(主要是小行星)的位置和观测历元信息; 

7)多于50万颗类星体的位置和Gaia G波段的星等信息,基于这些类星体,Gaia首次创建了微角秒水平的光学波段的天球参考架 GCRF (Gaia Celestial Reference Frame)。 

基于这些数据,天文学家们都做出了哪些有意思的结果呢?Gaia官方网站上列出了几个结果,来让我们一睹为快。 

  • 银河系考古学 

赫罗图(HR图)最早是由两位天文学家Hertzsprung和Russell分别于1911年和1913年提出的,展示的是恒星颜色(或温度)和光度(或绝对星等,表征发光本领)之间的关系,是用于研究恒星演化的重要工具。光度是指天体每秒钟发出的总能量,即天体的发光本领。 

赫罗图之所以能用于研究恒星演化,是因为虽然恒星个性繁多,但个性主要由两个参数——表面温度和恒星的发光本领决定。如果我们先进行如下设置,赫罗图的横坐标表示温度,纵坐标表示发光本领,横轴方向,从左至右,温度越来越低;纵轴方向,从下至上,发光本领越来越强。再将足够多恒星的性质展示到这张图上,就会发现规律,从右下方到左上方的对角线上点分布密集,天文学家把这条带称作主序带,带上的恒星称作主序星,在左下方和右上方也存在聚集区。 

天文学家们从Gaia DR2数据中挑选出太阳附近5000光年范围内的400万颗恒星,绘制出赫罗图,首次展示了诸多细节。类似我们太阳的恒星演化到生命晚期,会成为白矮星。恒星的质量差别决定了即使同为白矮星,也存在组成成分的差别;这些不同类别的白矮星究竟有怎样的不同,处在赫罗图左下方的它们究竟有怎样的性质,新的赫罗图能给出些许答案。 

   

  图5:基于Gaia DR2数据挑选出的太阳附近5000光年范围内的400万颗恒星,绘制的赫罗图,图片版权:ESA

  • 三维的银河系“地图” 

针对太阳附近几千光年范围内的恒星样本,Gaia测量了它们的三维速度信息,展示了这些恒星的运动模式。更精确的更大数据样本将足以让天文学家们确定出这些恒星的运动是否蕴含着银河系的结构——棒、旋臂等的影响,又或是几十亿年前银河系与更小星系之间的相互作用留下的印记。 

Gaia的精度允许我们看清楚一些由引力束缚的恒星聚集区内部的恒星运动情况,这些恒星聚集区指球状星团或银河系的卫星星系——矮星系。对它们的研究,将促进对银河系的结构、形成和演化的研究。 

  • 其它 

Gaia DR2给出了14099个太阳系内天体(主要是小行星)的位置和观测历元信息,为太阳系的结构研究提供了一个好样本。Gaia还提供了多于50万颗类星体的位置和Gaia G波段的星等信息,基于这些类星体,Gaia首次创建了微角秒水平的光学波段的天球参考架。总结 

Gaia的观测还在进行,源源不断的观测数据还在处理分析中。相信后续还有更多的数据发布和更多研究成果。 

中国自主创新研制的郭守敬望远镜(即“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”,英文简称LAMOST)的科学目标之一是观测银河系中的恒星,基于它们的光谱研究银河系的结构、形成与演化。Gaia卫星数据和LAMOST数据提供的信息可以相互补充、校验,相较于Gaia卫星提供的数据,LAMOST能提供更多恒星光谱,分析得到诸如恒星化学成分、星族信息等物理性质。目前,包括上海天文台在内的各大研究单位的该领域研究人员正结合LAMOST和Gaia数据进行分析研究,敬请期待他们的成果。 

中国一方面正在参与国际项目,贡献力量和学习经验并重;另一方面也在积极开展自主创新研究,邀请国际同行参与合作。为了美好的未来,我辈当继续不忘初心,砥砺前行啊。 

视频1:基于Gaia DR2数据,得到的银河系“地图”。该“地图”的绘制,是基于2014年6月25日至2016年5月Gaia观测的约17亿颗恒星的信息——位置、亮度和颜色等。图中明亮的水平结构是银道面,银河系中大部分恒星就居住在那里。银道面上较暗的区域,表明存在气体尘埃云块,尘埃消光使得云块后面的星光变暗变红,可是在这些云块中,就孕育着新一代恒星宝宝。图中还散落着很多由引力束缚的恒星集团——星团。最终大图的右下方有两团亮点,分别是大麦哲伦星云和小麦哲伦星云,它们是银河系的卫星星系。 视频版权:ESA。视频链接:https://v.qq.com/x/page/z0639c9c11d.html

视频2:Gaia卫星将如何完成绘制银河系“地图”的?视频来源:ESA。视频链接:https://v.qq.com/x/page/l0639k30hfy.html 

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1 黄永义

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