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星图

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“洞察号”火星登陆器渲染图

  2018年4月25日,欧洲空间局(ESA)发布了由盖亚飞行器(Gaia Spacecraft)经过三年多的太空探测所收集到的数据,而后绘制出的第一幅关于整个银河系的三维地图。这幅地图以前所未有的精度描绘了我们所居住的星系。

银河系的模样


  由551G数据所绘制的这幅三维地图,描述了1,692,919,135颗恒星的位置和亮度,测量了其中161,497,595颗恒星的表面温度,76,956,778颗恒星的半径和亮度,又通过恒星视差方法测量了1,331,909,727颗恒星的运动速度,还包括在太阳系内部发现的14,099个新天体。
  根欧洲空间局的政策,盖亚任务所探测到的数据会对社会开放。尽管面对这样的海量数据,可能只有专业天文学家才会有兴趣,但普通的天文学爱好者也可以登陆到一个名为“盖亚天空”(Gaia Sky)的网页,在电脑上体验到视觉化的银河系三维地图。
  这次针对整个银河系的探测任务,比人类此前任何一次的搜索范围都要大了1000倍以上,而盖亚探测器在三年内所收集到的数据就已经超过了哈勃太空望远镜在21年内收集到的数据。目前学术界可能还没有规划好如何利用这些海量的数据,但从欧洲空间局已经做出的一些发现来看,盖亚任务必将对人类天文学研究产生根本性的影响,人类对银河系的形成历史将会有更清晰的认识。
  盖亚任务的前身算是欧洲空间局在1989到1993年间的“依巴谷任务”(Hipparcos mission)。依巴谷卫星在几年的时间里确认了超过10万个天体的位置,另外还对超过100万个天体进行了不太精确的测量。在2001年,欧洲空间局在众多提议中选定了盖亚任务,然后这个由法国和英国几家公司合作制造的飞行器作为一个价值10亿欧元的太空探测项目的一部分,在2013年12月19日升空。这个重达2吨的探测器从2014年7月开始收集数据,它在稳定的太阳轨道上对每一个探测目标都进行了70次测量,以此获得精确的探测结果。
丹麦天文学家赫茨普龙

  对整个银河系内1%的天体的精确测量,这样的天文学大工程将要改变的是天文学的基础。通过掌握银河系的整体结构,人类就有机会真正了解银河系由各个小星系碰撞合并而成的具体过程,也会理解恒星在漫长的时间里由星际间气体逐渐聚合而成,最终在天空中被点亮的过程。
  通过盖亚探测器获得的数据,也会使赫罗图(Hertzsprung-Russell diagram)的精度大大提高。所谓赫罗图,是以20世纪初两位天文学家,丹麦天文学家赫茨普龙(Ejnar Hertzsprung)和美国天文学家罗素(Henry Norris Russell)命名的,以恒星光谱类型和亮度的关系来研究恒星数量和演化的图表。根据盖亚探测器的数据所绘制的新赫罗图,会以5000光年以内的400万颗恒星的数据为基础,必将揭示更多的新内容。
  在探测过程中,盖亚探测器每天都会把数据发回到欧洲空间局位于西班牙、澳大利亚或是阿根廷的三个地面基站之一。依靠着盖亚的工作,欧洲空间局在2016年第一次发布了包含有200万颗恒星的距离和运动速度的数据——这样的探测精度相当于在地球表面观测月球表面上的一枚硬币。而在盖亚任务最新发布的第一张全天地图中,不仅包含了银河系中的恒星,还有银河系邻近的一些星系,例如大麦哲伦星云和三角座星系,还有银河系最大的邻居,仙女座星系。目前这张地图的精度已经足以让天文学家们对于单个恒星进行研究,而它的精度还会随着盖亚探测器的工作而进一步提高。
  盖亚探测器在太阳轨道上进行探测的过程中,通过“恒星视差”(stellar parallax)方法来判断目标与地球之间的距离。所谓恒星视差是通过在轨道的不同位置上观察同一个恒星出现的位置来判断该恒星与地球的距离,而这种方法也有可能为目前人类在太空测距方面出现分歧的两种方法,“标准烛光”(standard candle)方法和利用宇宙微波背景辐射进行测距方法所产生的分歧進行裁决。实际上直到1838年,才第一次由天文学家弗里德里希·贝塞尔(Friedrich Bessel)利用恒星视差法对临近的恒星天鹅座61(61 Cygni)进行测量,而直到1990年,天文学家们也只利用恒星视差法测量了800颗恒星。直到进入90年代,依巴谷任务利用这一方法测量了50,000颗恒星,而后的盖亚任务则把这个数字扩大到了10亿颗以上。
  盖亚的工作还远没有结束,这个装备了两个光学望远镜和三个科学仪器的太空探测器将继续探测银河系中的星光,测量和分析恒星的距离和光谱,表面温度,并且记录太阳系附近的小行星,发现各种各样的新天体,例如地外行星和褐矮星,研究各种类星体,寻找在银河系形成过程中的小星系的残骸,研究银河系中暗物质的分布,并且对广义相对论进行最严格的测试。盖亚最后一次发布探测数据将是在2023年,到时天文学家将会挑选出200万颗恒星的视差探测数据与之前的探测数据相比较,以得出更精确的数字。

美国天文学家亨利·罗素

  

宇宙中有多少颗地球?


  除了欧洲空间局的盖亚任务,在美国,另一个试图绘制星图的计划刚刚开始。只不过这个计划所要绘制的天体地图并非发光的恒星,而是围绕恒星运转的行星。
  2018年4月18日,美国太空探索技术公司(SpaceX)的一个猎鹰9号运载火箭,搭载着美国航空航天局(NASA)的凌日系外行星行星巡天卫星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,TESS)升空。这颗由麻省理工学院的科学家们研制的价值3.37亿美元的卫星在升空之后,目标是发现至少50颗体积与地球相似,在太阳系附近,有可能孕育或容纳生命形式的岩石行星。
  美国航空航天局此次发射的TESS卫星,可以看做是为了计划在2020年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Talescope)而做的前期准备。TESS卫星将会记录它所发现的类地行星的位置,以便于詹姆斯·韦伯太空望远镜在升空之后对其进行细致研究,并让位于地面上的望远镜检查它们的大气层成分,寻找有可能适合人类生存的太阳系外行星。
  在成功发射升空之后,TESS卫星需要大约两个月的时间进行调整才能开始工作。它首先需要花费几周时间远离地球,使自己和地球之间的距离与月球和地球之间的距离相同,然后再利用月球的引力来调整自身轨道。它与地球之间的距离会在40万公里至100万公里之间,而每当接近地球时,TESS卫星就会开启自身的天线,向地球传输数据。
  美国航空航天局在2009年发射了开普勒太空望远镜用以寻找地外行星。经过9年的工作,开普勒太空望远镜发现了超过2600颗地外行星,在开普勒计划(Kepler Mission)即将结束之际TESS卫星升空,因此TESS卫星很容易被当成开普勒太空望远镜的继任者。实际上这两者还是有着很大不同,开普勒计划的目标在于探索宇宙中与地球相似的行星究竟有多么普遍,而TESS计划则是要寻找太阳系临近的,与地球相似,拥有大气层的岩石行星的具体位置。另一方面,开普勒太空望远镜只搜寻了1/400的天空,它探索的距离为3000光年,而TESS卫星则会进行全天的搜寻,其探索的距离也相对更近,只有300光年。
  作为第一个在全天进行搜寻地外行星的卫星,TESS卫星的方法和开普勒太空望远镜的方式相似,都是通过观察行星凌日时因为遮挡了恒星光线,造成恒星光线的闪烁来发现行星的存在。与盖亚任务类似,TESS卫星也将获得海量的数据。在两年的时间里,TESS卫星将会探测大约200万颗恒星的亮度。根据目前天文学家对于行星的认识,平均每颗恒星都有一颗行星,那么TESS卫星将会发现数以百万记的行星,存储海量数据。
2014年12月19日,NASA公布了开普勒太空望远镜效果图

  TESS卫星首先会探测太阳系附近常见的红矮星(red dwarf),这也是银河系中最常见的恒星。红矮星的质量大多不到太阳质量的一半,看上去不会太过明亮,因此相对更容易发现在它们周围运转的行星,围绕红矮星运转的行星也更有可能拥有良好的气候条件。而通过行星凌日的方法,在发现了围绕红矮星运转的行星之后,TESS卫星无法探测行星的质量和组成成分,这就只能在它完成初步的发现之后,交由位于地面上的望远镜来做进一步的探测了。
  地球上的科学家通过分析恒星的光线因为受到其行星的影响而出现的周期性的多普勒移,可以推断出行星的质量,再由此则可以推断其组成成分。而TESS卫星的主要探测目标并不在于发现行星的数量而在质量。在TESS衛星可能探测到的5000个信号中,天文学家们将会挑选出一些最清晰的信号交给地面上的望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜进行更细致的研究,最终会选出50颗行星作为重点研究目标。
  尽管在红矮星附近的行星最容易探测,但红矮星容易爆发出致命的辐射,而且因为距离恒星过近,红矮星周围的行星也更容易因为恒星的引力而被潮汐锁定(tidally locked,行星的一面在引力作用下总是朝向恒星),因此红矮星周围的行星可能并不容易衍生出生命,TESS卫星的目标也并不止于此,300光年之内的行星都将是它的探测对象。

有关理想,也有关生存


  通过观察天体来了解宇宙,进而了解自身,这种能力或是虫洞似乎是人类的本能。在文明的开端,人类希望通过观测和想象,希望通过天空中恒星构成的各种图形来预测自己未来的吉凶;在现代,人类则通过各种卫星和望远镜,通过观察星光来理解自身在宇宙中的位置,这有关理想,也有关生存。
  地球是人类唯一的家园,但科学越是发达,人类就越是意识到在地球上生活的重重危险。地球上的生命总会遭遇周期性的大灭绝,如果永远在地球上生存,这似乎也将是人类无法避免的命运。就连太阳,也将在大约50亿年后熄灭。如果人类想要在宇宙中繁衍下去,就必须对宇宙中的宜居行星有所了解。
  探索的目标也不仅是在太阳系外,地球的近邻也是人类研究宜居行星的目标之一。2018年5月5日,美国航空航天局在位于加州的范登堡空军基地发射了火星探测器“洞察号”(InSight),这是人类发射的第一个装备了地震仪,用以探测火星内部结构的探测器。通过利用地震仪收集到火星的地震波,人类科学家将了解火星岩石的层次和地质结构,再与地球进行比较,进而理解这些太阳系内部的行星在40多亿年前的形成过程。
  从地球到火星,太阳系内的两个近邻之间,一个蓝色星球上充满了生命,而另一个红色星球则只有贫瘠和荒凉。正在旅途中的洞察号,还要大约200天的时间才会在火星表面着陆。如果与地球类似的,拥有大气层的岩石行星在宇宙中相当普遍,那么火星将是地球之外,人类研究类地行星的最佳目标。研究火星的内部结构,也会帮助人类了解地外行星的构成,并且缩小人类搜寻地外生命的范围。
  无论是盖亚任务,TESS任务,还是洞察号,人类对宇宙的探索将会越来越深入,而这些从地球出发,注定一去不返的探测器,必将给人类发回众多的惊奇,开拓我们的视野。

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