歐洲“蓋亞”天文衛(wèi)星升空

夏亞茜（北京空間科技信息研究所）

歐洲“蓋亞”天文衛(wèi)星升空

夏亞茜（北京空間科技信息研究所）

歐洲航天局（ESA）的“蓋亞”（Gaia）天文衛(wèi)星已于2013年12月19日發(fā)射，它是一項(xiàng)具有開拓性的天文學(xué)任務(wù)，旨在通過對(duì)銀河系10億顆恒星的詳細(xì)觀測(cè)，最終繪制銀河系最大、最精確的三維圖像。

1 任務(wù)概述

“蓋亞”任務(wù)于2000年10月被確定為科學(xué)項(xiàng)目。該衛(wèi)星在對(duì)銀河系繪制期間，將對(duì)圍繞銀河系中心運(yùn)行的每顆恒星的移動(dòng)軌跡進(jìn)行探測(cè)和精確測(cè)量。每顆恒星的運(yùn)行軌跡在產(chǎn)生時(shí)已經(jīng)被確定，因此通過研究其運(yùn)行可以使天文學(xué)家及時(shí)推斷銀河系最初形成的情況。通過構(gòu)建一個(gè)詳細(xì)的恒星三維圖，“蓋亞”衛(wèi)星將為銀河系形成的研究提供重要數(shù)據(jù)。

“蓋亞”在測(cè)量宇宙的同時(shí)，勢(shì)必還會(huì)有其他發(fā)現(xiàn)。在其設(shè)計(jì)的5年壽命里，將對(duì)大約10億顆恒星進(jìn)行70次觀測(cè)，按照時(shí)間順序形成每顆恒星的亮度和位置記錄。結(jié)合精確的天文測(cè)量，“蓋亞”可以發(fā)現(xiàn)圍繞在其他恒星周圍的行星、太陽系中的小行星、外太陽系中的冰質(zhì)天體、褐矮星，以及遙遠(yuǎn)的超新星和類星體。“蓋亞”在科學(xué)領(lǐng)域的潛在發(fā)現(xiàn)將使該任務(wù)顯得獨(dú)一無二。

天文學(xué)家將從“蓋亞”獲取大量數(shù)據(jù)信息，通過搜索存檔找到相似的天體或事件以及天體之間的相互關(guān)系，從而為解決特殊的、看似棘手的科學(xué)難題提供必要線索。

2 任務(wù)目標(biāo)

（1）銀河系結(jié)構(gòu)

完整的宇宙調(diào)查可以為銀河系結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化提供必要的細(xì)節(jié)內(nèi)容，包括不同恒星成分的形成。恒星速度和位置的詳細(xì)知識(shí)能夠讓科學(xué)家洞悉由于重力相互作用（包括與較小星系的合并）引起銀河系的動(dòng)態(tài)變化，能夠從當(dāng)前觀測(cè)到的恒星分布類型中得到銀河系恒星的演變歷史。

（2）星系演變

恒星模型能夠描述恒星組成的演變和內(nèi)部過程引起的恒星年齡變化。在一顆恒星的壽命期間，其表面溫度和發(fā)光度是該恒星的能量源，主要通過一系列元素在其核心和殼內(nèi)發(fā)生變化引起的。“蓋亞”匯集的大量不同恒星類型的樣本信息，將會(huì)大大擴(kuò)展人類對(duì)恒星結(jié)構(gòu)和演變的理解，進(jìn)一步促進(jìn)恒星內(nèi)部理論模型的改進(jìn)。

（3）太陽系

“蓋亞”對(duì)太陽系的考察包括：①小行星軌道測(cè)量。“蓋亞”對(duì)小行星位置和速度的精確測(cè)量能夠讓科學(xué)家預(yù)測(cè)出未來小行星的運(yùn)行軌道。②質(zhì)量確定。在兩個(gè)小行星較近接觸時(shí)產(chǎn)生的微小引力就會(huì)改變它們的飛行路徑。“蓋亞”的天體測(cè)量將記錄下這個(gè)微小的改變，從而計(jì)算出被觀測(cè)物體的質(zhì)量。③光度測(cè)量。“蓋亞”將對(duì)太陽系較小星體進(jìn)行多角度光度觀測(cè)。這些觀測(cè)將通過測(cè)量小星體反射不同波長光的亮度來揭露其表面特性和組成。龐大的數(shù)據(jù)庫將對(duì)小星體的數(shù)量進(jìn)行精確分類，表征小行星、近地天體和隕星之間的關(guān)系。另外，還將對(duì)其與太陽距離的物理參數(shù)變化進(jìn)行研究。

（4）外行星

“蓋亞”得到的數(shù)據(jù)有助于改進(jìn)我們對(duì)行星軌道參數(shù)以及外行星質(zhì)量分布的理解。這些數(shù)據(jù)可以為行星系統(tǒng)的形成、遷移和動(dòng)態(tài)變化的理論模型提供參考。同時(shí)，“蓋亞”還將測(cè)量外行星軌道平面的傾角，估計(jì)行星的真實(shí)質(zhì)量，建立類地球行星的形成以及適合生存的動(dòng)態(tài)關(guān)系模型。

3 衛(wèi)星概況

“蓋亞”由一個(gè)有效載荷艙、一個(gè)機(jī)械服務(wù)艙和一個(gè)電子組件服務(wù)艙組成，總發(fā)射質(zhì)量為2029kg，其中有效載荷艙質(zhì)量為524kg，機(jī)械服務(wù)艙和電子組件服務(wù)艙總質(zhì)量為868kg，推進(jìn)劑質(zhì)量為237kg。“蓋亞”運(yùn)行在L2拉格朗日點(diǎn)軌道上。

有效載荷艙

“蓋亞”的有效載荷艙采用直徑約為3m的六邊形熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，為單一集成儀器提供結(jié)構(gòu)支持，該儀器具有天體測(cè)量?jī)x、光度測(cè)量?jī)x和光譜儀三種功能，采用雙望遠(yuǎn)鏡概念，擁有同樣的結(jié)構(gòu)和共用的焦平面。兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡的孔徑均為1.45m×0.5m，焦距為35m，兩個(gè)鏡頭采用三鏡消像散（TMA）設(shè)計(jì)，利用一個(gè)裝有小型光束合成器的圖像空間實(shí)現(xiàn)光束組合。這種設(shè)計(jì)節(jié)省了光束合成器的質(zhì)量，簡(jiǎn)化了空間，消除了物體探測(cè)時(shí)出現(xiàn)的方向模糊情況。鏡面和望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)采用碳化硅（SiC）超穩(wěn)定材料，在兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡指向之間采用了高穩(wěn)定性的基本角測(cè)量系統(tǒng)。兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡的光路由6個(gè)反射鏡組成，其中最后兩個(gè)是共用的。

望遠(yuǎn)鏡巨大的共用焦平面由106個(gè)CCD陣列組成，有5個(gè)主要功能：①波前敏感器（WFS）和基本角監(jiān)測(cè)（BAM）系統(tǒng)；②天空測(cè)繪儀（SM），可以自動(dòng)探測(cè)進(jìn)入視場(chǎng)的目標(biāo)，并向后續(xù)CCD傳輸詳細(xì)恒星信息；③主天體視場(chǎng)（AF），用于天體測(cè)量；④藍(lán)色光度計(jì)（BP）和紅色光度計(jì)（EP），分別在320～660nm和650～1000nm波長范圍內(nèi)提供每個(gè)目標(biāo)的低分辨率光譜測(cè)量；⑤徑向速度光譜儀，記錄所有光譜亮度超過17級(jí)的目標(biāo)。

（1）天體測(cè)量?jī)x

天體測(cè)量?jī)x可以在恒星密度為3×106顆/(°)2的情況下進(jìn)行精確測(cè)量，其主要目標(biāo)就是通過“蓋亞”衛(wèi)星兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡的重合區(qū)域?qū)λ心繕?biāo)的相對(duì)位置進(jìn)行精確測(cè)量，獲得的數(shù)據(jù)可以提供星位置（2個(gè)角度）、自身移動(dòng)（2次衍生位置）、平行視差（距離）等天體測(cè)量參數(shù)。

天體測(cè)量?jī)x由兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡組成，這兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡重合的區(qū)域?yàn)樘祗w測(cè)量視場(chǎng)（AF），由62個(gè)CCD構(gòu)成，可以綜合到單個(gè)焦平面上。每個(gè)CCD的讀取方式為時(shí)間延遲一體化（TDI）模式，與衛(wèi)星掃描移動(dòng)同步。一個(gè)物體的位置和光度信息在星上進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，從而讓CCD可以識(shí)別出物體周圍區(qū)域的信息。天體測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度主要取決于恒星類型和兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間106.5°這個(gè)基本角的穩(wěn)定性，該角度由基本角監(jiān)測(cè)（BAM）系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)。

“蓋亞”的機(jī)械服務(wù)艙

（2）光度測(cè)量?jī)x

光度測(cè)量?jī)x將對(duì)所有探測(cè)物體的光譜能量分布（SED）進(jìn)行測(cè)量，從而進(jìn)行天體物理學(xué)研究和天體測(cè)量?jī)x的色度校準(zhǔn)。其主要用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：①通過光譜能量分布測(cè)量，可以獲得天體的光度、溫度效應(yīng)、質(zhì)量、年齡和化學(xué)成分等信息；②為了滿足天體性能要求，測(cè)量重心位置必須根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)出現(xiàn)的系統(tǒng)色彩變化進(jìn)行修正。這可能僅僅可以獲得CCD覆蓋波長范圍內(nèi)（320～1000nm）的觀測(cè)目標(biāo)的光譜能量分布。

（3）光譜儀

“蓋亞”的徑向速度光譜儀可以提供847～874nm窄波長范圍的光柵，在5年任務(wù)壽命期間，將對(duì)每個(gè)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行約40次的視場(chǎng)重疊觀測(cè)。所有CCD都采用時(shí)間延遲一體化模式。

另外，有效載荷艙還包括管理儀器操作和原始數(shù)據(jù)處理的所有必要電子組件，如視頻處理單元、時(shí)鐘分配單元（管理參考原子鐘）和有效載荷數(shù)據(jù)處理單元（負(fù)責(zé)兩個(gè)下行鏈路之間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）。

機(jī)械服務(wù)艙

正在安裝的可展開遮陽板

衛(wèi)星功率分配情況

“蓋亞”的機(jī)械服務(wù)艙內(nèi)裝有支撐儀器和航天器電子組件的機(jī)械、結(jié)構(gòu)和熱控元件，以及微推進(jìn)系統(tǒng)、可展開遮陽板、有效載荷隔熱層、太陽電池和電纜。用于姿態(tài)調(diào)整的微推進(jìn)系統(tǒng)主要采用一定比例的冷氣推進(jìn)劑。服務(wù)艙與“蓋亞”的所有通信都通過X頻段完成，同時(shí)還采用了遙測(cè)、遙控、上/下行鏈路容量較小的低增益天線和全向覆蓋等技術(shù)。

機(jī)械服務(wù)艙具有管理基本角穩(wěn)定性，是滿足科學(xué)要求的最佳設(shè)計(jì)，有一組均衡分布的可展開遮陽板，采用多層絕緣材料制成，這些遮陽板和平臺(tái)能夠阻止正常任務(wù)期間太陽對(duì)航天器，尤其是有效載荷艙的照射。密封的熱結(jié)構(gòu)能夠?qū)茖W(xué)儀器進(jìn)行更進(jìn)一步的防護(hù)。

電子組件艙

“蓋亞”的電子組件艙裝有為“蓋亞”和有效載荷提供指向、電源控制和分配、中央數(shù)據(jù)管理和與地球進(jìn)行無線電通信的設(shè)備。

該衛(wèi)星上安裝一個(gè)面積為12.8m2的三結(jié)砷化鎵太陽電池，其中7.3m2以固定太陽電池形式出現(xiàn)，另外5.5m2被分成6塊，安裝在可展開遮陽板組件上。在發(fā)射和早期運(yùn)行期間，衛(wèi)星的電源主要由一個(gè)60A的鋰電池提供。

4 地面段

“蓋亞”由位于德國達(dá)姆施塔特市的歐洲空間操作中心（ESOC）負(fù)責(zé)運(yùn)營，同時(shí)依托西班牙塞夫雷羅斯（cebreros）、澳大利亞新諾舍（new norcia）和阿根廷馬拉圭（Malarguee）三個(gè)地面站。科學(xué)操作由位于西班牙維拉弗朗卡（Villaranca）的歐洲空間天文學(xué)中心（ESAC）執(zhí)行。

“蓋亞”采用了先進(jìn)星上自主系統(tǒng)，但任務(wù)的特性需要有很多地面站來下傳衛(wèi)星產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。衛(wèi)星在5年任務(wù)中將持續(xù)觀測(cè)，在與地面失去聯(lián)系時(shí)可利用星上固態(tài)大容量存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。“蓋亞”每天通過歐洲航天局位于西班牙塞夫雷羅斯、澳大利亞新諾舍和阿根廷馬拉圭的35m深空地面站網(wǎng)絡(luò)與歐洲空間操作中心取得聯(lián)系。通常情況下，每天只需要一個(gè)地面站對(duì)衛(wèi)星發(fā)布指令和控制，進(jìn)行數(shù)據(jù)下傳。雖然星上產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)據(jù)會(huì)隨著觀測(cè)區(qū)域而變化，但下傳數(shù)據(jù)所需的大量時(shí)間也會(huì)隨之改變。在衛(wèi)星掃描銀河平面期間，尤其是恒星密度較為密集的時(shí)候所需時(shí)間更長。即使有3個(gè)地面站，仍不能保證衛(wèi)星24h可見。

正在進(jìn)行電性能測(cè)試的“蓋亞”

阿根廷馬拉圭地面站天線

“蓋亞”的地面段主要由以下部分組成：①任務(wù)操作中心（MOC），位于德國達(dá)姆施塔特的歐洲空間操作中心內(nèi)，負(fù)責(zé)所有任務(wù)的操作計(jì)劃、執(zhí)行、監(jiān)測(cè)和控制。②屬于歐洲航天局跟蹤網(wǎng)的地面站都受任務(wù)操作中心和歐洲空間操作中心的控制。該網(wǎng)絡(luò)主要由深空網(wǎng)天線和一套15m天線裝置組成。③科學(xué)操作中心（SOC），位于維拉弗朗卡的歐洲空間天文學(xué)中心內(nèi)，負(fù)責(zé)科學(xué)操作規(guī)劃，同時(shí)利用任務(wù)操作中心提交的衛(wèi)星和儀器遙測(cè)信息來進(jìn)行有效載荷的性能監(jiān)測(cè)。