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“盖亚”升空,给银河系来张自拍照

2019-05-28 20:04

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图片 2欧洲空间局的“盖亚”空间望远镜成功发射升空,我们即将获得银河系以及宇宙迄今最详尽的“地图”。图片来源:meteoweb.eu

地球环绕太阳的平均公转速度可以通过多种方法测量出来,例如,可以测量出地球的公转周期,并计算出地球的公转轨道周长,从而就能通过万有引力定律计算出地球的公转速度;或者通过测量周围恒星的多普勒频移,进而得到多普勒频移的振幅,这样就能直接算出地球环绕太阳的轨道速度。参考测量地球公转速度的方法,通过测量太阳的公转周期以及太阳与银河系中心的距离,这样也能计算出太阳的公转速度。

(文/ Stuart Clark)这将是有史以来最大的自拍。在盖亚空间望远镜发射之后,它将以前所未有的精度对银河系中的10亿颗恒星进行勘测,进而从根本上改变我们对周遭宇宙的认识。

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2013年12月19日,欧洲航天局的这一大胆计划,使用俄罗斯的“联盟”火箭从法属圭亚那发射升空。随后,它将飞行到距离地球150万千米远的太空。在那个远离地球大气层辉光的地方,“盖亚”将绕着太阳转动,并开始缓慢自转,在未来5年的时间里测量每一个进入其视场的天体。除了测绘银河系中的大约10亿颗恒星(约占银河系恒星总数的1%)以外,它还会搜寻围绕其他恒星的行星,监视我们太阳系中的小行星,精确定位几十万个遥远的河外星系。这将是一段发现之旅。“盖亚”团队成员、英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的彼得·艾伦(Peter Allan)说:“‘盖亚’将彻底改变天文学,这话我不是随便说的。”

红外波段的银心方向

精准的天图将是一件强有力的武器。作为“盖亚”的前身,1989年到1993年间测量了250多万颗恒星位置的依巴谷卫星,催生了数以千计的论文,从根据太阳在银河系中的运动推出地球冰河期出现的频率,到使用伽马暴来搜寻地外文明,涵盖的内容可谓五花八门,

日地距离很容易测出来,一地球年只有大约365天也很容易测出,但太阳与银心的距离很难测出来,一银河年(即太阳环绕银心公转一周的时间)也很难测出来。在太阳和银心之间有大量的星际尘埃挡住,这使得我们一直很难观测到银心,所以太阳与银心的精确距离很难测定出来。另一方面,一银河年的时间肯定非常漫长,我们不可能等上一银河年来确定它的时间长度。那么,这些参数都该如何精确测定呢?

“依巴谷”提醒着我们,人类对恒星的勘测其实已有超过2000年的历史。“依巴谷”卫星得名于古希腊天文学家依巴谷,他生活在公元前190年至公元前120年,编纂了约850颗肉眼可见恒星的位置。他的星表一直沿用到16世纪,直到望远镜发明前的几十年,丹麦贵族第谷·布拉赫(Tycho Brahe)所编纂星表问世。从1576年到1597年,第谷和100名访问天文学家在丹麦和瑞典之间岛屿上修建的天文台里,仅使用六分仪和浑仪,勘测了1,000多颗恒星。

这还要得益于欧洲宇航局在2013年发射的盖亚空间天文台。这项任务有着十分宏大的目标,它要测量银河系中多达10亿颗恒星(大约占到银河系恒星总数的0.5%)的位置、距离和自行量,建立目前最为全面的银河系3D地图。

银河自拍

第谷于1601年去世后不久,望远镜的发明在接下来的几个世纪里引发了一场变革。但“盖亚”的天图将是另一个传奇。它的心脏是一个有着十亿像素的数码相机,是迄今为止太空中最大的。它的稳定性和灵敏度足以看到比肉眼可见最暗弱天体还要暗上400 000倍的天体,让我们可以目睹银河系迄今最真实的一面。

银河系有着10万光年的直径,对于我们来说过于庞大,不可能跑到它的外面去对它拍照。虽然如此,之前的观测已经让我们弄清楚,太阳就位于从银河系中心到其边缘的3/5处。天文观测还显示,我们的银河系呈扁平的盘状,其中穿插着由明亮恒星组成的旋臂。“盖亚”将精确测量银河系中绝大多数巨星的位置,哪怕它们位于比银心更远的地方(银心附近的尘埃云会遮蔽暗弱的天体),由此揭示出它们分布的全部细节。该项目的首席科学家蒂莫·普鲁斯蒂(Timo Prusti)说:“‘盖亚’将让我们有史以来第一次获得银河系的图像。”

图片 4“盖亚”将运行于距离地球约150万千米的第二拉格朗日点L2,在远离地球大气层辉光的地方对10亿颗恒星展开细致的测绘。图片来源:spacetelescope.org

然而,重要的不仅仅是天体的位置,它们的运动也将有助于解释我们的银河系是如何形成的。1718年,在将自己对大角、天狼星和毕宿五这3颗恒星的测量,与1800多年前古希腊人所做的观测加以比较之后,英国天文学家爱德蒙·哈雷(Edmond Halley)率先注意到了恒星的运动。在那之前,天空中的大多数天体仍被称为“恒星”(字面意思是“不变的星星”)。哈雷证明,事实并非如此。这意味着,除了位置和亮度之外,天文学家还能从恒星身上提取更多的信息:它们的速度和运动方向能提供关于整个银河系的重要线索。

“盖亚”项目成员、英国伦敦大学学院的天文学家马克·克罗珀(Mark Cropper)说:“银河系是我们唯一一个可以通过一颗一颗的恒星来研究的星系。如果你可以测量恒星的位置和速度,你就可以了解它们背后的物理机制。”这些机制在数十亿年的时间里,一直在塑造银河系。

现在天文学家普遍认为,类似银河系这样的大型星系,都经历过并合过程。一开始,多个较小星系之间会发生碰撞并合,但随着这一过程的推进,这些碰撞星系中的一个会变得非常巨大。它的引力会把较小的星系撕扯成星流,进而将它们纳入自身的整体转动中,只留下最细微的线索,暗示被吞并小星系之前的运动状态。

“盖亚”的相机测定一些恒星位置的精度可达百万分之几个角秒,相当于可以分辨出月亮上的一只跳蚤。通过比较5年间的观测结果,“盖亚”能够把以相似轨道绕着银心转动的星流逐一分离出来。这将揭示出构建我们银河系的原初星系的遗迹。

目前,这一天文学家口中的银河系考​​古学,仍是一个梦想。迄今已知的星流,数目非常少。“‘盖亚’会把我们目前在星流研究上的灵敏度提高1000倍,”克罗珀说,“它将追踪银河系中大量的恒星,使银河系考古学成为可能。我们将跃入一个新的时代。”这不仅会告诉我们银河系是如何形成的,还有助于我们更好地认识整个宇宙的演化。

类似的搜寻甚至还能找到太阳失散的兄弟姐妹。45亿年前,当银河系中的一团气体云发生坍缩时,形成了几十万颗恒星,我们的太阳只是其中的一员。时间和引力随后对这个新生的星团痛下杀手。它们联手将其瓦解,把其中的恒星驱散到了银河系中远离太阳的其他角落。尽管经历了这一动荡,孪生的这些恒星仍保留着和太阳相似的轨道——因此“盖亚”追踪恒星运动的能力,将给我们提供发现它们的机会。

有着相同轨道特征的恒星,不一定就是太阳的兄弟姐妹。不过,“盖亚”还有几招可以帮助我们识别出它们。它可以获得所观测天体的光谱,由此分析它们的化学组成。由于每一团气体云都有着自身特有的化学特征,因此太阳的兄弟姐妹都应该有相同的化学指纹。虽然这是大海捞针,但克罗珀对此很乐观:“如果我们能综合所有的信息,也许就能找到太阳的兄弟姐妹,哪怕它们现在已经散布于整个银河系中。”

图片 5“盖亚”将测绘银河系内的大约10亿颗恒星,不只是测定它们的位置和距离,还将精确测量它们的运动。图片来源:space.com

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