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)，旨在通過對銀河系10億顆恒星的詳細(xì)觀測，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)星在對銀河系繪制期間，將對圍繞銀河系中心運(yùn)行的每顆恒星的移動軌跡進(jìn)行探測和精確測量。每顆恒星的運(yùn)行軌跡在產(chǎn)生時已經(jīng)被確定，因此通過研究其運(yùn)行可以使天文學(xué)家及時推斷銀河系最初形成的情況。通過構(gòu)建一個詳細(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”在測量宇宙的同時，勢必還會有其他發(fā)現(xiàn)。在其設(shè)計的5年壽命里，將對大約10億顆恒星進(jìn)行70次觀測，按照時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）引起銀河系的動態(tài)變化，能夠從當(dāng)前觀測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?！吧w亞”匯集的大量不同恒星類型的樣本信息，將會大大擴(kuò)展人類對恒星結(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”對太陽系的考察包括：①小行星軌道測量。“蓋亞”對小行星位置和速度的精確測量能夠讓科學(xué)家預(yù)測出未來小行星的運(yùn)行軌道。②質(zhì)量確定。在兩個小行星較近接觸時產(chǎn)生的微小引力就會改變它們的飛行路徑?！吧w亞”的天體測量將記錄下這個微小的改變，從而計算出被觀測物體的質(zhì)量。③光度測量?！吧w亞”將對太陽系較小星體進(jìn)行多角度光度觀測。這些觀測將通過測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、遷移和動態(tài)變化的理論模型提供參考。同時，“蓋亞”還將測量外行星軌道平面的傾角，估計行星的真實(shí)質(zhì)量，建立類地球行星的形成以及適合生存的動態(tài)關(guān)系模型。

3 衛(wèi)星概況

“蓋亞”由一個有效載荷艙、一個機(jī)械服務(wù)艙和一個電子組件服務(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，該儀器具有天體測量儀、光度測量儀和光譜儀三種功能，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。兩個望遠(yuǎn)鏡的孔徑均為1.45m×0.5m，焦距為35m，兩個鏡頭采用三鏡消像散（TMA）設(shè)計，利用一個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)計節(jié)省了光束合成器的質(zhì)量，簡化了空間，消除了物體探測時出現(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，在兩個望遠(yuǎn)鏡指向之間采用了高穩(wěn)定性的基本角測量系統(tǒng)。兩個望遠(yuǎn)鏡的光路由6個反射鏡組成，其中最后兩個是共用的。

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

（1）天體測量儀

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

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

“蓋亞”的機(jī)械服務(wù)艙

（2）光度測量儀

光度測量儀將對所有探測物體的光譜能量分布（SED）進(jìn)行測量，從而進(jìn)行天體物理學(xué)研究和天體測量儀的色度校準(zhǔn)。其主要用于實(shí)現(xiàn)兩個目標(biāo)：①通過光譜能量分布測量，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，將對每個觀測目標(biāo)進(jìn)行約40次的視場重疊觀測。所有CCD都采用時間延遲一體化模式。

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)兩個下行鏈路之間的數(shù)據(jù)存儲）。

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，同時還采用了遙測、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，有一組均衡分布的可展開遮陽板，采用多層絕緣材料制成，這些遮陽板和平臺能夠阻止正常任務(wù)期間太陽對航天器，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）三個地面站?？茖W(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，在與地面失去聯(lián)系時可利用星上固態(tài)大容量存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。“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，每天只需要一個地面站對衛(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)會隨著觀測區(qū)域而變化，但下傳數(shù)據(jù)所需的大量時間也會隨之改變。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候所需時間更長。即使有3個地面站，仍不能保證衛(wèi)星24h可見。

正在進(jìn)行電性能測試的“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)的操作計劃、執(zhí)行、監(jiān)測和控制。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，同時利用任務(wù)操作中心提交的衛(wèi)星和儀器遙測信息來進(jìn)行有效載荷的性能監(jiān)測。