「蓋亞」狂想曲

那是2013年12月19日的下午,我在上海剛剛結束了一個國際學術會議,趕緊借用了上海天文臺的一間會議室,將歐洲空間局的直播視訊投到幕牆上,與其他天文學家們一同觀看一件大事件。遠在地球另一邊的,法屬蓋亞那庫魯火箭發射場矗立著俄羅斯的聯盟火箭,它馬上就要將歐洲空間局最大的天文衛星——蓋亞(Gaia)送入深空。隨著火箭發射成功,作為Gaia項目的一名參與者,我當時的心情非常激動。畫面中是萬里之外的直播現場,看著那些熟悉的同事歡呼著相互擁抱,思緒把我拉回到了我的博士後生涯。

2009年的一天,我擠在海得堡大學計算天文學研究所一間狹小的會議室,屋子裡坐滿了觀眾,講臺上是著名的霍格教授(Erik Høg),他正在回憶現代歐洲天文學家對天體測量研究孜孜不倦的求索歷程。我剛剛加入Gaia項目,是裡面唯一的中國人。國內有不少學者對霍格教授比較熟悉,最為深刻的記憶怕是在1992年,他在上海的國際會議之餘用中文表演節目。作為Hipparcos和Gaia兩代天體測量衛星的發起者,他不僅是現代天體測量學的先驅,創造性地改造中星儀,提升了天體測量觀測技術,也是推動天體測量學成為天體物理學重要支柱的歷史功臣。

演講中的霍格教授

演講中的霍格教授。

/三角視差

——如此簡單,如此困難

恆星的距離一直是天文學中最難測量的一個量。古希臘天文學家依巴谷(Hippachus)提出採用三角視差測量方法測定恆星的距離。這一方法一直廣泛應用在大地測量上。在地球上間隔半年時間看同一顆星,因為兩次觀測的時候地球分別處於太陽兩側,觀看恆星的時候,恆星和背景天體(假設位於近乎無窮遠的地方)的相對位置因此會發生微小變化。雖然依巴谷提出瞭如此簡單的辦法,但實現起來卻並不容易。古代的天文學家其實並不知道恆星到我們的距離遠遠超過大行星到我們的距離,恆星的三角視差都極其微小。今天我們知道據離我們最近的恆星的三角視差也只有0.75角秒左右,相當於在1千米之外識別3毫米的位置變化。在沒有望遠鏡的年代裡,這是一項不可完成的任務。即便後來望遠鏡被廣泛應用於天文觀測,實現如此小的空間位移的測量也耗費了天文學家數百年時間。

到了19世紀,這場漫長的測量終於進入高潮,斯特魯維(Wilhelm Struve)自1835年開始測量織女星的三角視差,但結果直到1840年才正式發表。貝塞爾(Friedich Bessel)雖然在1837年才入場,但於1838年就率先發表了天鵝座61(61 Cygni)的三角視差,贏得了這場曠日持久的馬拉松。人類第一次知道了恆星到我們的距離是如此遙遠。值得一提的是兩位天文學家用的望遠鏡都是德國物理學家和工匠夫琅禾費(Joseph Fraunhofer)製作的。亨德森(Thomas Henderson)僅僅晚了貝塞爾一年,發表了對距離太陽最近的三星系統半人馬座α星的測量結果。雖然他選擇的是最容易觀測的目標,但測量過程太拖沓了。

/從中星儀到依巴谷衛星

——千米之外的細菌

批量測量恆星的三角視差,僅靠一臺普通的望遠鏡不行,需要把這臺望遠鏡變成一把精確的量角器。羅默(Roemer)發明了中星儀,望遠鏡被嚴格限制在中天子午線上,只能上下移動(南北方向),不能左右移動(東西方向)。由於恆星隨著地球自轉自東向西穿越望遠鏡視場,那麼兩顆恆星先後穿越望遠鏡視場的時間差就可以換算成它們的夾角。這一方法大大提高了望遠鏡測量天體夾角的精度。

有了高精度工具,天文學家也僅僅完成了非常少的恆星的三角視差測量。他們顯然需要更有力工具來提高效率。20世紀60年代,霍格等人進一步改進了設備,通過增加楔形狹縫配合光電倍增管,可以以更高精度、半自動化地測量恆星的三角視差。二戰之後大規模的照相巡天項目也極大提高了具有天體測量結果恆星的數量。這個時候,天文學家們不滿足地面三角視差的測量精度了,大氣視寧度的限制導致三角視差精度難以跨越10毫角秒。他們開始向空間前進。

1980年代,霍格等人設計了依巴谷(Hippacos)衛星,利用電視攝像管和狹縫對兩片方向相差很遠的天空同時進行精確掃描,以通過大角度測量來提高天體測量精度。依巴谷衛星成功觀測了10萬多顆恆星的三角視差和自行,精度達到了1毫角秒,相當於1千米之外分辨4.8微米的細菌。

/合作性競爭

——羅默望遠鏡和GAIA計劃的提出

依巴谷衛星的成功激發了歐洲的天文學家們更具野心的空間探測計劃。霍格等人提出了一個使用了二維矩陣探測器(CCD)的放大版依巴谷衛星構思,並命名為羅默望遠鏡(Roemertelescope),以紀念這位發明了中星儀的天文學家。實際上這一構想是1992年首次在中國上海舉辦的IAU第156號專題研討會上向同行展示的。羅默望遠鏡不僅創新性的將那個時代非常前沿的頂級電子技術CCD器件引入了空間天體測量,大大提高了天體測量的效率,還充分利用CCD的特點以時延積分方式掃描天空(TDI,Time Delay Integration),實現同依巴谷衛星類似的天體測量工作模式,並藉助更大的口徑和更為精確的控制,測量精度再提高一個數量級。

幾乎與此同時,依巴谷項目另外兩位靈 魂 人 物 , 萊 納 特 · 林 德 格 倫 ( L e n n a r tLindegren)和麥可·佩裡曼(MichaelPerryman)提出了一個更加前衛大膽的構想,他們利用一種稱為菲索干涉的技術獲得更加高精度的空間解析度,期望成倍提高天體測量精度。他們將這個構想命名為GAIA,也就是用於天體物理的天體測量干涉儀(Global AstrometricInterferometer for Astrophysics)。隨後兩個方案均作為歐洲空間局(ESA)演講中的霍格教授。的候選方案參與競爭。在2011年霍格的一篇回憶錄中,他敘述到,他和林德格倫均認為這兩個方案並非兩個「競爭性」提案,而是「非排他的兩個概念設計」。實際上兩個團隊一直保持密切合作,並未出現在此類情況下常見的「狗血」劇情。在此不得不向歐洲的天文學家們致敬,致敬他們那種無私的合作精神,這也是蓋亞項目取得巨大成功的靈魂。

蓋亞衛星概念的提出者之一林德格倫。版權/ESA

/意外驚喜

——羅默和GAIA合體了?!

精度再提高100倍

在隨後幾年高強度的論證工作中,佩裡曼顯示出了卓越的領導和協調能力,技術方案也越來越傾向GAIA的干涉儀方案,羅默望遠鏡方案面臨出局。然而,到了1998年,工程師們經過多輪論證之後發現,干涉儀方案並不能帶來性能的提升,而自發的提出了改進方案,這一方案竟然與羅默望遠鏡不謀而合,這也著實讓霍格大大驚喜了一番。這決定性地將GAIA的技術方案推向了羅默望遠鏡方案。霍格後來總結了原始GAIA方案的三個致命缺陷:第一,把鏡子中間挖去一大塊以創造干涉條件損失了通光量,這當然對高精度位置測量不利;第二,望遠鏡的穩定性要求結構相對位置精度在奈米級,即使在今天也是難以達到的;第三,疊加起來的干涉儀需要一個巨大的遮陽板。

到了1998年年中,技術路線日漸明朗,GAIA的結構也更像今天看到的樣子。2000年,GAIA科學團隊成立,2007年ESA最終確定了Gaia的結構和指標,GAIA也完成了向蓋亞(Gaia)的蛻變。蓋亞的最終指標是天體測量精度在10微角秒,相當於一枚放在月球表面上的硬幣的直徑!這也比它的前代依巴谷衛星的精度足足高了100倍!

從羅默望遠鏡計劃到GAIA,最後成為蓋亞(Gaia),顯示了一個大型空間項目如何在幾近不可能的科學指標和最最佳化技術實現之間取得完美的平衡。這充分顯示了ESA在空間望遠鏡建設上的高超管理水平以及歐洲天文學家和工業界的精細嚴謹的工匠精神和合作共贏的團隊精神,值得我們借鑑和學習。蓋亞項目的成功離不開霍格、林德格倫和佩裡曼的貢獻,他們堪稱蓋亞三傑:霍格推動了天體測量領域向空間發展,林德格倫提出了精緻的天體測量解算方案,展現了一位理論家的風采,而佩裡曼則是一位頂級的科學項目管理者,將一群優秀的歐洲科學家和工程師組織起來,在最艱難的90年代有力推動GAIA項目收斂到最優方案上。2022年林德格倫和佩裡曼因為在依巴谷和蓋亞項目中的卓越貢獻而獲得了邵逸夫天文學獎。

裝配調試中的蓋亞衛星有效載荷部分。版權/ESA

/蓋亞衝刺班

——前人栽樹後人乘涼

在海德堡工作的三年裡,我也有幸結識了佩裡曼教授。那個時候他已經退休,正在海德堡休學術假。所以我不是在學術會議或項目研製中認識的他,而是在壁球館裡。那個時候我和幾位同事每週三都去一家體育俱樂部打壁球。他是一個壁球高手,儘管年長我近30歲,在一年之中我也僅僅贏過他一局而已。這是不是再次說明,身體是成為優秀天文學家的重要本錢呢?

大型空間項目往往是一代人構思、一代人建設、一代人使用。霍格、林德格倫和佩裡曼那一代人在依巴谷項目中完成了蓋亞的創想。佩裡曼領導了蓋亞項目早期的研製。蒂莫·普魯斯蒂(Timo Prusti)接過佩裡曼的班,作為項目科學家最終將蓋亞衛星送上了太空。安東尼·布朗(Antony Brown)、安東內拉·瓦萊納裡(Antonela Vallenari)等中生代歐洲天文學者,則將蓋亞推廣到全世界。來自世界各地年輕的天文學家們得益於前兩代人的辛勤工作,在蓋亞資料上做出了驚人發現。

2016年蓋亞首次向全世界發表了第一批資料。我的兩位研究合作者,美國紐約大學的豪格(David Hogg)教授和德國馬克斯普朗克天文研究所的利克斯(Hans-Walter Rix)教授發起了蓋亞衝刺班,這一形式旋即風靡全球。2022年,當蓋亞發佈第三版資料的時候,儘管新冠疫情仍居高位,歐洲還是召集了好幾個衝刺班,中國也在中國科學院大學和三峽大學的支持下舉辦了三期蓋亞衝刺班。

何為衝刺班?就是將一群有想法的人聚集在一起大開腦洞,琢磨如何從蓋亞的資料中找到重大發現。這個過程時間緊張刺激,工作強度非常大。在紐約的2016年和2018年兩屆衝刺班上,大家非常辛苦,以至於衝刺班的資助人西蒙斯(James Simons)每天傍晚都拿出好吃好酒招待大家。衝刺班的成員們一邊品嚐美釀佳餚,一邊在投影幕布前唇槍舌戰,爭論著一天以來的熱點發現。是的,很多天文學家都是「吃貨」,畢竟Astronomy(天文)和Gastronomy(美食)只差一個字母而已。

/天文學家都是吃貨

——蓋亞香腸和蓋亞蝸牛

使用Gaia資料開展研究的天文學家中吃貨似乎尤其多。最為著名的莫過於天文鬼才、劍橋大學的俄裔天文學家別洛庫洛夫(VasilyBerokurov)。2018年,他利用蓋亞資料發現一些太陽附近典型的年老暈族恆星的三維速度分佈非常奇怪,呈現出一個長棒狀結構,完全不像盤族恆星在三維速度空間中呈現的球狀分佈。於是他將這個長棒狀結構命名為「蓋亞香腸」(Gaia-Sausage),一度風靡全球。這個蓋亞香腸實際上是一個被銀河系吞到肚子裡的矮星系的殘骸,對銀河系來說也確實是個美味的星系香腸。與他差不多同時期發現這個星系殘骸的阿根廷裔荷蘭天文學家希勒米教授(AminaHelmi)則用希臘神話中天神烏拉諾斯和大地女神蓋亞之子恩克拉多斯來命名,稱之為「蓋亞-恩克拉多斯」(Gaia-Enceladus),然而傳播效果並不如「蓋亞香腸」,相比於這個拗口的拉丁名字,還是香腸叫起來色香味俱全。

蓋亞香腸的發現證實了銀河系早期確實如很多河外星系一樣,經歷了劇烈的併合過程。今天的宇宙學模型普遍認為,大星系往往通過吞噬其它星系這種野蠻激烈的方式成長。蓋亞衛星讓天文學家們第一次真真切切地看到這個過程就發生在我們身邊。看起來浪漫優雅的銀河系,實際上也是「食星系族」的一員。另一位「吃貨」天文學家掀起了更大的熱潮。巴塞羅那大學的西班牙女天文學家安多哈(Teresa Antoja)也在2018年展示了一個螺旋結構,這個結構不像蓋亞香腸那麼明顯,而是隱藏在恆星運動軌道的相空間中。上海交通大學的李兆聿副教授後來形象的稱其為「蝸牛」。你看,又是一道美食!

這一發現頓時引起了全球吃貨天文學家追捧。無論是英國、美國、澳大利亞還是中國,天文學家們首先用各種不同的觀測資料驗證了這個蝸牛是真實存在的結構。在一系列密集發表的工作中,人們普遍認為它是因為大約數億年以前一個矮星系穿越了銀河系而帶來的巨大動力學擾動。就在銀河系遭受到宇宙最為激烈的星系級襲擊的同時,處於星系邊疆的小小太陽系內,地球上正處於生物大爆發的寒武紀和恐龍稱霸的侏羅紀時代,一切是那麼的欣欣向榮。雖然沒有徹底破壞銀河系的結構,但在銀河系美麗的恆星盤上還是掀起了一場猛烈風暴,並重新塑造了銀盤的形狀。這一發現再一次證明,星系的一生是狂暴的——要麼把同類吃掉,要麼被同類攻擊,妥妥的黑暗森林再現。

銀河系和矮星系併合產生「香腸」的數值模擬。來源/劍橋大學

/尾聲

當然,天文學家不能僅僅是吃貨和酒徒。很多天文學家還有很大腦洞。例如,有人嘗試用蓋亞衛星觀測遙遠的類星體,並試圖利用蓋亞衛星資料解決宇宙學的重大問題。有人則從處理不好的蓋亞衛星次品資料中挖掘出很多有意思的雙星,不少可能攜帶著一個緻密的伴星,非常有可能是一些恆星級黑洞。經過三十年的建設和近十年的運行,如今全世界的天文學家已經發表了近4000篇蓋亞衛星相關的論文。銀河系和恆星的研究正在以肉眼可見的速度發生著重大變革。這一切歸功於蓋亞衛星和它的三代團隊。

每次登入到歐洲空間局的蓋亞衛星資料處理和分析團隊(DPAC)網站上,我總是忍不住進入「People」頁面,那裡按照字母順序列出了所有蓋亞衛星的建設者的名字、照片和經歷,我也有幸在其中。它讓我回到了十多年前,回到了一起工作過的同事們身邊,為蓋亞衛星取得的成功,更為同這麼多優秀的歐洲天文學家一同工作過,而深感自豪。今天,中國的天文學家聯手工程師們,也在建造中國的空間巡天望遠鏡(CSST)。希望我們能夠從蓋亞衛星的經歷中學習和成長,讓未來的中國天文學家們也能為我們今天的努力而感到驕傲。

作者簡介 /

劉超,主要從事恆星和星族、銀河系結構、星系動力學、空間天文資料處理等研究。現為中國科學院國家天文臺空間站望遠鏡科學應用研究團組首席科學家,中國科學院大學崗位教授,北京師範大學天文與天體物理前沿研究所雙聘研究員,巡天空間望遠鏡科學資料處理系統項目負責人。