“蓋亞”的使命

□ 孝文

2013年 12月19日格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時間上午9點12分，歐洲空間局的“蓋亞”號探測器在法屬圭亞那的庫魯航天中心搭乘俄羅斯的“聯(lián)盟”號火箭發(fā)射升空。“蓋亞”號項目耗資20億英鎊（約合32億美元），任務(wù)將持續(xù)5年，將對超過10億顆恒星進(jìn)行3D測繪。此外，這項任務(wù)還將發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆此前未知的天體，獲取相關(guān)線索以幫助天文學(xué)家進(jìn)一步了解神秘的暗物質(zhì)和暗能量。科學(xué)家稱“蓋亞”號探測器將讓天文學(xué)研究發(fā)生革命性變化。

“蓋亞”號將對超過10億顆恒星進(jìn)行3D測繪，以祈獲得有關(guān)暗物質(zhì)和暗能量的相關(guān)證據(jù)

“蓋亞”號耗資約合10億美元，項目總成本達(dá)到32億美元。觀測過程中，這顆探測器將借助一臺1000MP的相機(jī)搜尋行星和小行星

最雄心勃勃的任務(wù)之一

蓋亞是希臘神話中的大地之神，是眾神之母，所有神靈中德高望重的顯赫之神。歐洲空間局將自己的最新空間探測器命名“蓋亞”，由此可見該局對它的重視程度以及對其卓越性能的自信。

蓋亞任務(wù)名稱是“Global Astrometric Interferometer for Astrophysics”的縮寫。“蓋亞”號探測器重2噸，耗資約合32億美元。蓋亞任務(wù)于1993年10月由瑞典隆德大學(xué)的倫納特·林德格倫和 歐空局的麥可·佩里曼提出建議加入“地平線計劃”的長期科學(xué)任務(wù)。2000年10月13日歐洲空間局科學(xué)計劃委員會接受該計劃，并列為基石任務(wù)的第6項計劃。2006年2月9日蓋亞任務(wù)被定為B2期程，并由阿斯特里姆負(fù)責(zé)硬體設(shè)備制造。本任務(wù)總預(yù)算包含空間望遠(yuǎn)鏡制造、發(fā)射和地面控制總共約7.4億歐元。

“蓋亞”探測器的主要任務(wù)有：測量銀河系內(nèi)10億顆恒星的位置、距離以及本證運動；探測上萬個系外行星系統(tǒng)；尋找運行在地球和太陽之間區(qū)域的阿波希利型小行星（Apohele asteroids），因為該區(qū)域總是被強烈的陽光所照射，所以很難用地基的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測監(jiān)視；探測50萬顆遙遠(yuǎn)的類星體；深空測量，對阿爾伯特愛因斯坦的廣義相對論進(jìn)行更加精確的測量。

“蓋亞”號任務(wù)將持續(xù)5年，是太空探索史上最雄心勃勃的任務(wù)之一。這顆探測器將鎖定數(shù)百萬顆恒星的位置，精確度將達(dá)到空前的水平。此外，“蓋亞”號還將發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆此前未知的天體，包括爆炸的恒星、環(huán)繞其他恒星運行的行星以及地球附近的具有威脅性的小行星。

科學(xué)家還希望“蓋亞”號探測器能夠發(fā)現(xiàn)相關(guān)線索，幫助天文學(xué)家揭開兩個最大的謎團(tuán)——暗物質(zhì)和暗能量。暗物質(zhì)是一種不可見的物質(zhì)，像膠水一樣將星系聚合在一起。暗物質(zhì)無法被直接觀測到，只能通過觀測其引力效應(yīng)進(jìn)行研究。暗能量是一種奇怪的推進(jìn)力，從宇宙誕生之初就存在于空間之中，導(dǎo)致星系以不斷加速的速度分離。

“蓋亞”號能夠?qū)b遠(yuǎn)的恒星系統(tǒng)及其行星成員進(jìn)行觀測，同時還能監(jiān)視可能對地球構(gòu)成威脅的小行星。在設(shè)計和制造過程中，英國科學(xué)家和工程師扮演了重要角色。按照計劃，“蓋亞”號將進(jìn)入距地面150萬千米的拉格朗日L2點。該處是天體觀測中一個較為理想的軌道，擁有非常穩(wěn)定的熱環(huán)境，可獲得比較高的觀測效率，并且還具有較低的輻射環(huán)境。在這個地球處在它與太陽之間的有利位置，“蓋亞”號能夠?qū)Ω鼜V闊的太空區(qū)域進(jìn)行觀測。

蓋亞的研究目標(biāo)

按照計劃，“蓋亞”號將進(jìn)入距地面150萬千米的拉格朗日L2點

“蓋亞”號能夠?qū)b遠(yuǎn)的恒星系統(tǒng)及其行星成員進(jìn)行觀測，同時還能監(jiān)視可能對地球構(gòu)成威脅的小行星。在緩慢旋轉(zhuǎn)過程中，“蓋亞”號的兩架望遠(yuǎn)鏡將對整個夜空進(jìn)行掃描。“蓋亞”號將成為迄今為止送入太空的體積最大的數(shù)碼相機(jī)

體積最大的數(shù)碼相機(jī)

“蓋亞”探測器的優(yōu)異之處在于其搭載了被稱為“十億像素陣列”的超級相機(jī)，被喻為“蓋亞之眼”，是歐洲空間局打造的數(shù)字成像系統(tǒng) ，擁有前所未有的觀測分辨率 ，科學(xué)家試圖通過“蓋亞”超級相機(jī)探測器繪制銀河系的三維地圖 ，并揭示星系的組成結(jié)構(gòu)、形成以及未來的演化。

在緩慢旋轉(zhuǎn)過程中，“蓋亞”號的兩部望遠(yuǎn)鏡將對整個夜空進(jìn)行掃描。“蓋亞”號將成為迄今為止人類送入太空的體積最大的數(shù)碼相機(jī)。這項任務(wù)獲取的數(shù)據(jù)足以裝滿3萬多個CD ROM。

蓋亞上面搭載的光譜儀將會提供每一顆恒星的詳細(xì)物理特征，并對它們的光度、有效溫度、引力以及元素組成進(jìn)行分析。這種大規(guī)模的恒星調(diào)查活動將會 為我們提供有關(guān)銀河系的起源、結(jié)構(gòu)和演化的觀測數(shù)據(jù)。與此同時，還會對大量的類星體、河外星系、系外行星以及太陽系內(nèi)的天體進(jìn)行觀測和測量。

“蓋亞”號探測器將會每年繞太陽一圈，以便能拍攝到每顆恒星在太空中每個略微不同位置的照片。這樣，它就能繪制出整個銀河系三維地圖。他所攜帶的儀器還能探測出這些恒星是怎樣圍繞銀河系中心運轉(zhuǎn)的。

一次空間探測的革命之旅

“蓋亞”號任務(wù)科學(xué)家、萊斯特大學(xué)的馬丁·巴斯托教授表示：“‘蓋亞’號任務(wù)是我職業(yè)生涯中參與的最令人興奮的太空任務(wù)之一。在對銀河系進(jìn)行觀測過程中，‘蓋亞’號獲取的細(xì)節(jié)以及距離測量的精確度都將達(dá)到空前程度。它的觀測結(jié)果將改變天文學(xué)的面貌，進(jìn)一步加深我們對宇宙的認(rèn)知。”

“蓋亞”號項目的英國首席研究員、劍橋大學(xué)的格里·基爾莫來教授表示：“‘蓋亞’號獲取的數(shù)據(jù)將讓我們對宇宙的了解發(fā)生前所未有的革命性變化。我們對宇宙的認(rèn)知在很大程度上取決于我們觀察到的東西。我們從未有機(jī)會看到宇宙內(nèi)的一切，了解我們無法觀測到的區(qū)域，了解它們之間的關(guān)系。我們甚至不知道究竟有多少東西是我們不知道的。我們知道宇宙中存在大量我們未知的天體，等待我們?nèi)ッＮ覀儾⒉磺宄鼈儞碛性鯓悠婀值奶卣鳌Ｎ覀兠媾R著數(shù)以百計這樣的問題，例如宇宙為何是現(xiàn)在這種狀態(tài)？銀河系如何誕生？具體由什么構(gòu)成？具體質(zhì)量是多大？如何演變成今天這樣？‘蓋亞’號將帶我們走進(jìn)未知的宇宙區(qū)域。我們將發(fā)現(xiàn)全新的天體，發(fā)現(xiàn)一些我們認(rèn)為的不可能存在的天體。”

英國大學(xué)和企業(yè)從歐洲空間局手中拿下大約約合1億美元的合約，負(fù)責(zé)制造“蓋亞”號的一些關(guān)鍵組件，包括相機(jī)傳感器和微型推進(jìn)系統(tǒng)。劍橋大學(xué)的一個先進(jìn)的處理中心將負(fù)責(zé)篩選和消化“蓋亞”號傳回地球的數(shù)據(jù)。英國的“蓋亞”數(shù)據(jù)處理負(fù)責(zé)人弗洛爾·范·萊文博士指出：“‘蓋亞’的傳感器能夠探測到人眼性能增強近4000倍才能看到的微弱物體。這種精確性相當(dāng)于從地球上對月球上的一顆襯衫紐扣進(jìn)行測量。這也就意味著我們需要使用性能最為強大的計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

“蓋亞”號的前輩“依巴谷”衛(wèi)星，后者對大約10萬恒星進(jìn)行了觀測

銀河系直徑大約為10萬光年～12萬光年

法屬圭亞那的庫魯發(fā)射中心，“蓋亞”號的組件正在接受測試

垂直轉(zhuǎn)運進(jìn)入發(fā)射塔架

劍橋大學(xué)的一個先進(jìn)的處理中心將負(fù)責(zé)處理“蓋亞”號傳回地球的數(shù)據(jù)

帆板展開試驗

探測器進(jìn)整流罩

科研人員安裝太陽電池帆板

將依巴谷衛(wèi)星的使命進(jìn)行到底

事實上，“蓋亞”探測器是歐洲依巴谷衛(wèi)星未競?cè)蝿?wù)的延續(xù)。依巴谷衛(wèi)星（High Precision Parallax Collecting Satellite，縮寫為Hipparcos），全稱為“依巴谷高精視差測量衛(wèi)星”，是歐洲空間局發(fā)射的一顆天體測量衛(wèi)星，用以測量恒星視差和自行，以古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯的名字命名。

依巴谷衛(wèi)星于1989年8月8日由阿里安4號火箭運載升空。它本應(yīng)于地球同步軌道上運作，但因助推火箭失效，衛(wèi)星只到達(dá)近地點507千米、遠(yuǎn)地點35,888千米的狹長橢圓軌道。盡管如此，它仍能完成85%的原任務(wù)目標(biāo)。與該衛(wèi)星的通訊于1993年8月15日中止。

整個計劃分“依巴谷實驗”和“第谷實驗”兩部分。前者目標(biāo)是測量120,000顆恒星的五個天文測量參數(shù)，精度達(dá)2至4毫角秒；后者目標(biāo)是測量另外400,000顆恒星的天文測量參數(shù)及B-V色指數(shù)，但位置精度稍遜（20毫角秒～30毫角秒）。

蓋亞任務(wù)和先前的依巴谷衛(wèi)星類似，包含兩個望遠(yuǎn)鏡可觀測兩者之間固定的廣角觀測方向。該空間望遠(yuǎn)鏡會持續(xù)以兩個望遠(yuǎn)鏡的觀測方向垂直向為軸轉(zhuǎn)動。而它的自轉(zhuǎn)軸在天球上會劃出一個小幅度的進(jìn)動軌跡，同時保持與太陽相同的夾角。透過從兩個方向精確觀測天體在天球上的相對位置，就可得到一個固定的參考系統(tǒng)。

和它的名稱不同的是，蓋亞任務(wù)實際上并未使用干涉測量術(shù)確認(rèn)天體位置。在原始設(shè)計時干涉測量術(shù)原被認(rèn)為是實現(xiàn)足夠目標(biāo)解析度的方式，但之后演變成現(xiàn)在的成像望遠(yuǎn)鏡。在觀測范圍中每個天體平均會被觀測70次，科學(xué)家估計“蓋亞”號將會有一年的任務(wù)延長期。