近距离观测星系

对世界各地的天文学家来说，这是一个提前的圣诞节，盖亚数据处理和分析联盟(DPAC)于2020年12月3日发布了来自欧洲航天局的天体测量任务盖亚的新一批数据。

自2013年底以来，这一太空任务彻底改变了对银河系的研究，使天文学家对塑造了银河系数十亿年动荡生命的大规模过程获得了前所未有的见解。与其他星系的碰撞和合并、恒星形成的爆发导致了包括我们的太阳在内的恒星的形成、星系盘的行为以及许多其他细节都从盖亚自2014年以来获得的数万亿字节的数据中显现出来。

“就在四五年前，剑桥大学的一位资深教授还反复问我，‘麦哲伦星云的正确运动是什么?’，”剑桥大学天文学研究所盖亚数据处理小组的前负责人弗洛德·范·莱文(Floor van Leeuwen)说，他从20世纪90年代初就开始着手这项任务。“‘你量过了吗?“不，我们没有，”我不得不承认。

“今天，我们不仅非常准确地知道麦哲伦云的正确运动，而且还知道它们内部发生了什么，”他补充说。“多亏了盖亚，我们在如此短的时间内取得了巨大的进步。”

麦哲伦云是两个小星系，距离银河系中心超过15万光年。它们的固有运动是它们随时间在天空平面上移动的视运动。固有运动是盖亚测量近20亿颗恒星的关键参数之一，这使天文学家能够绘制出星系中恒星最精确的三维地图，并按时间前后播放，揭示出这个巨大星系有机体的过去和未来。

盖亚测量的其他参数包括恒星在天空中的二维位置、它们与太阳的距离、它们向观察者移动或远离观察者的视向速度、它们的亮度水平以及表明恒星组成、年龄和起源的发光光谱。

盖亚看到的20亿颗恒星只占银河系的1%。然而，在计算机建模的帮助下，天文学家可以重建整个星系。

从盖亚的数据中产生的这个领域被称为银河考古学，因为它使天文学家能够挖掘银河系过去的细节，就像考古学家筛选古代考古遗址的层层结构一样。

在更广泛的科学界能够获得数据并开始解开星系的奥秘之前，DPAC联盟中分布在欧洲各地的约450名研究人员和软件工程师必须投入大量工作，以创建盖亚闻名的超精确恒星目录。从之前的数据发布到最新的早期数据发布3 (EDR3)，已经花了两年半多的时间。

“每颗恒星平均每五年被测量75次，”德国海德堡大学天文学中心DPAC团队的研究人员之一斯特凡·乔丹解释道。“这意味着当我们开始我们的工作时，我们有许多万亿的单个恒星观测。我们必须将这些数据处理成一个目录，对我们测量的近20亿颗恒星中的每一颗都只包含五个天体测量参数，然后是亮度和光谱的附加参数。”

天体测量学是一门涉及测量恒星精确位置及其运动的学科，这是盖亚的主要目的。Jordan解释说，目录包含两个位置参数，两个适当运动参数和一个视差参数。视差是反映地球绕太阳轨道的恒星每年的表观位移。这种效应本质上是立体视觉的基础，它使天文学家能够借助简单的三角函数计算出恒星到太阳的距离。

“我们正在将每颗恒星的大量测量数据浓缩成几个数字，”乔丹补充道。“但数据的数量，加上巧妙的分析，是最终目录的质量和准确性的保证。”

在每次发射之前，位于欧洲的6个强大的计算中心需要数千万个CPU小时来整理从飞船上倾泻下来的数千千兆字节的数据。每天，该任务向地面发送约20g的数据，代表约8.5亿个恒星观测数据。

乔丹的同事、同样来自海德堡大学天文学中心的迈克尔·比尔曼说:“目前，在大约2400天的运行后，我们从航天器上下载了大约87000 g的压缩数据。”“如果你把它解压，它大约是原来的两倍。”

处理工作需要解决数十亿个带有许多未知数的数学方程。

比尔曼说:“首先，我们必须根据每颗恒星来组织图像。”“这已经是一个相当大的过程，大约需要25万CPU小时。当我们处理星系中一些密度大的区域时，我们无法轻易区分恒星，这也非常复杂。”

成千上万轮的校准会过滤掉由于航天器运动或仪器热特性造成的误差。由于航天器每6小时旋转一次，科学家们还必须使用数据来计算盖亚的确切姿态(航天器指向的位置)，以确保目录中输入的恒星位置精确到几微弧秒的水平。

即使经过所有这些处理，目录仍然是巨大的。据德国航空航天中心(DLR)称，该任务的最终目录将包含超过1拍字节的数据，如果打印在纸上，可堆叠100千米高。

“我们所做的相当于在2000公里外测量人类头发的宽度。”

EDR 3于2020年12月初开放，包含银河系18亿颗恒星的信息，据约旦称，与2018年4月发布的上一个数据发布2 (DR2)相比，它的质量和精度都有了巨大提高。

由于这些改进，科学家们已经能够第一次测量太阳系向银河系中心的加速度，并观察到两个麦哲伦云之间的恒星运动。

然而，正是DR2开启了银河系考古学的黄金时代。自2018年以来，平均每天有五篇基于DR2目录的科学论文发表，这使盖亚成为有史以来最成功的太空任务。

乔丹补充说:“我们拍摄的图像并不像哈勃太空望远镜那样引人注目，但从科学角度来说，我们是同类，事实上，我们甚至常常比哈勃望远镜好一点。”

在经历了几个世纪的缓慢进展后，这一科学宝藏为银河系的研究注入了动力，它可能在短时间内不会放缓。

客观地说，在20世纪90年代早期，天文学家只知道大约8000颗恒星的准确位置。不断改进的望远镜技术使他们能够不断增加恒星目录的尺寸，并提高它们的精度，但大气的影响为可达到的目标设置了严格的限制。直到20世纪90年代初，盖亚的前身——欧洲航天局的希帕尔科斯号(Hipparcos)发射后，事情才开始正确地向前发展。然而，希帕尔科斯只绘制了大约10万颗恒星的位置，而盖亚有20亿颗。

“Hipparcos是建立在上世纪80年代的技术基础上的，”van Leeuwen说，他作为一个年轻的研究人员参与了这个项目。“卫星上的内存非常小，在进行观测时必须不断与地面站通信。探测器要简单得多，它无法观测到更微弱的恒星，整个任务也没有那么灵活。”

范·莱文说，希帕尔科斯和盖亚之间的进步主要是由于数字技术的进步。尽管如此，从今天的角度来看，盖亚的探测器和相机可能看起来已经过时了，尽管在21世纪初该任务被开发时，它们是最先进的技术。然而，在接下来的几十年里，盖亚所能提供的就已经足够了，因为在21世纪20年代中期的某个时刻，盖亚完成了它的观测之后，还没有后续计划。

“这些任务总是如此，”范·莱文说，“但没有迫切需要新的任务。我们可能只会在2030年发布最终目录，其中将包含完整的十年任务数据。足以让天文学家们忙上几十年。”

盖亚到底是如何施展魔法的?这颗直径2.3米的航天器，配有直径10米的可展开圆形遮阳板，使卫星具有标志性的飞碟外观，安装了两个相距106度的望远镜。这些望远镜的焦距为35米，通过一个精巧的镜面系统折叠在里面。望远镜的焦平面有2800平方厘米，是迄今为止在太空飞行的最大焦平面，上面覆盖着106个定制的CCD探测器。这些ccd，每个大约5厘米乘4厘米，但只有几微米厚，一起组成了近10亿像素，使望远镜能够捕捉到周围宇宙最微小的细节。

van Leeuwen补充道:“为了达到我们所要求的准确性，这一切都是必需的。”“例如，为了测量视差，我们使用地球轨道作为基线，但地球轨道与恒星距离相比真的很小。我们所做的相当于在2000公里外测量人类头发丝的宽度。”

航天器围绕所谓的拉格朗日点2 (L2)运行，拉格朗日点是日地系统中两个天体引力平衡的五个点之一。在距离太阳约150万公里的L2上，盖亚可以持续观察到最小的热变化和其他可能影响她观测的干扰。

ccd被布置成七排，分为五组。前两列是测天仪ccd，用于识别视场中的明亮物体，并将信息发送给机载计算机，以选择跟踪哪些恒星。主天体测量场由62个ccd组成，当选定的恒星在焦平面上移动时，ccd会跟踪它们。

“盖亚正在不断地收集数据，并在任何给定时刻观察恒星的图像在焦平面上的位置，”乔丹说。“只要我们准确地知道卫星的方向，就能知道恒星在天空中的位置。”

该任务每天发送“回家”的20g数据只占其实际获取数据量的1%左右。正如比尔曼所说，如果盖亚没有能力在飞船上处理数据并只选择有价值的数据发送到地面，任务就不可能完成。

“机载计算机预测在CCD上应该观察到恒星的位置，然后在该区域周围切割一个小窗口，”Biermann说。“我们只把这些镂空的小窗户转移到地面上。”

焦平面包含进一步的ccd，用于测量亮度和光谱。这些传感器共同实现了有史以来最具开创性的天文空间项目之一。

在太空中运行了7年之后，该航天器及其仪器仍处于良好状态。该任务最初预计于2019年结束，后来被延长至2022年，并将最终延长至2025年，到那时，它可能会耗尽维持稳定的天然气。

对于范列文、比尔曼和乔丹这样的球队来说，这意味着他们在短时间内不会放慢脚步。事实上，DPAC团队已经在忙于下一批数据的工作，这些数据将在2022年公布。