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      “蓋亞”的使命

      2014-11-29 10:01:36孝文
      太空探索 2014年2期
      關(guān)鍵詞:蓋亞銀河系天體

      □ 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?!吧w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??茖W(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?!吧w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——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?!吧w亞”號將成為迄今為止送入太空的體積最大的數(shù)碼相機

      體積最大的數(shù)碼相機

      “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,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?!吧w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。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?。我們面臨著數(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。

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