出品：科普中國
製作：中國科學院上海天文臺天文科傳團隊 左文文 齊朝祥 廖石龍
監製：中國科學院電腦網路資訊中心
北京時間2018年4月25日18點， 歐空局蓋亞（Gaia）空間天體測量衛星專案發佈了第二批科學資料（Gaia DR2）， 迅速引起了近乎整個天文學界的關注。 基於新發佈的資料， 天文學家有望在銀河系和太陽系的結構、形成與演化、恒星物理乃至宇宙學和基本物理學等領域獲取突破性的結果。
作為參與該專案天體測量工作的亞洲唯一單位， 中國科學院上海天文臺也扮演了重要的作用。 接下來， 就讓我們瞭解下Gaia衛星、上海天文臺的參與和貢獻以及Gaia DR2 給天文領域帶來了哪些新發現？
Gaia衛星， 堪稱全新一代空間天體測量衛星， 旨在精確觀測銀河系內數以億計的恒星， 從而實現銀河系三維勘察， 繪製出銀河系最精確、最大的三維“地圖”， 解釋銀河系的組成、形成和演化。 經過500多名國際科研人員歷時20多年的艱苦研發， Gaia衛星於2013年12月19日成功發射， 進入日地拉格朗日L2點附近工作， L2點位於太陽和地球連線上的地球同側， 到地球的距離與日地距離相當， 即150萬千米。 在L2點， 衛星僅需要消耗很少的燃料便可以長期駐留， 圍繞L2作圓周運動。
圖1：拉格朗日L2點的示意圖， 圖片版權：ESA
蓋亞衛星不是第一顆要丈量銀河系的空間衛星。 歐空局曾於1989年8月8日發射空間天體測量衛星依巴穀， 雖然未能抵達設計中的地球同步軌道， 但依巴谷衛星在一個狹長的橢圓軌道上順利完成了所有科學任務。 1993年， 我們與依巴谷衛星中止通訊。 1996年8月， 歐空局發佈依巴穀星表和第穀星表， 前者包含了11.8萬顆恒星的位置資訊，
相較于依巴谷衛星，
Gaia衛星可將天體三維位置（從方向和視差資訊獲取）和切向速度（從自行資料獲取）測量精度提高了100多倍，
等效的角度測量精度達到10微角秒（1角秒等於三千六百分之一角度）水準。
如果把依巴穀的測量精度比作從地球能看到月球表面的宇航員高度， 那麼Gaia的測量精度就相當於從地球能看見月球表面的一枚硬幣尺寸。
在觀測目標上， Gaia也提高很多倍， 總觀測目標遠超過10億顆天體。 有距離精度保證的探測範圍將完全覆蓋整個銀河系。 除此之外， Gaia 還將測量約1.5億顆亮於17星等的恒星的視向速度資訊， 綜合這些天體的三維位置、三維運動和測光資訊將開啟天文學的新篇章。
圖2：左：銀道坐標系下的Gaia DR2 源密度分佈圖；右：Gaia DR2的星等分佈圖。
視頻載入中...
視頻1：“Gaia DR2得到的銀河系 ‘地圖’”
基於Gaia DR2資料，
得到的銀河系“地圖”。
該“地圖”的繪製，
是基於2014年6月25日至2016年5月Gaia觀測的約17億顆恒星的資訊——位置、亮度和顏色等。
圖中明亮的水準結構是銀道面，
銀河系中大部分恒星就居住在那裡。
銀道面上較暗的區域，
表明存在氣體塵埃雲塊，
塵埃消光使得雲塊後面的星光變暗變紅，
可是在這些雲塊中，
就孕育著新一代恒星寶寶。
圖中還散落著很多由引力束縛的恒星集團——星團。
最終大圖的右下方有兩團亮點，
分別是大麥哲倫星雲和小麥哲倫星雲，
它們是銀河系的衛星星系。
上海天文臺是參與Gaia專案天體測量工作的亞洲唯一單位
中國科學院上海天文臺是參與Gaia專案天體測量工作的亞洲唯一單位。 2013年2月上海天文臺天體測量團組（當時主要成員：齊朝祥、廖石龍、唐正宏、于湧、趙銘等人）代表上海天文臺與Gaia資料處理中心之一的義大利都靈天文臺簽署了在Gaia天體測量資料處理上的正式合作協定， 成為Gaia任務天體測量資料處理核心單元CU3的正式成員， 並正式介入歐空局空間項目。
在Gaia專案前期， 雙方針對Gaia衛星天體測量資料處理方法、模型和星表構建等內容進行了多次交流合作。 尤其是針對Gaia資料處理中的常規單天天體測量解算問題， 上海天文臺提出了對Gaia的單天天體測量資料進行快速解算來即時檢測觀測資料的品質情況的想法， 並對不同資料處理模型的解算結果進行了比較，編制了相應的歸算軟體。
Gaia衛星上攜帶了兩個望遠鏡，觀測過程中兩者指向的夾角（基本角）固定維持在106.5度，通過從兩個方向精確測量不同天區天體間的相對位置，可實現天體位置和距離的精確測量。因此，這一獨特設計的成敗與否，取決於基本角能否穩定住。根據設計，夾角的變化量不能超過4微角秒。
https://v.qq.com/x/page/l0639k30hfy.html
然而，2014年衛星觀測試運行期間，監測望遠鏡指向的星載鐳射干涉系統顯示，基本角存在超出預期的突變、長週期變化以及振幅為1毫角秒的6小時短週期變化等棘手問題。如果不解決超預期的基本角變化問題，整個專案將無法實現預期目標，工程將面臨失敗的風險。
針對此問題，當時作為雙方共同培養的上海天文臺博士研究生廖石龍（現為上海天文臺助理研究員）在雙方導師的指導下，非常出色地完成了《Gaia 短期天體測量資料的重建與分析》 的博士論文。
獨立于歐空局其它單位，上海天文臺提出一種方案，基於實測的天體資料，利用獨創的同時性較差觀測的原理獨立校驗，解算衛星基本角的變化，並與衛星攜帶的鐳射干涉監測系統的結果進行交叉對比，核實並獨立獲得衛星基本角變化的各種週期和振幅資料。而經核實的基本角變化資料是Gaia資料分析處理中心對其最終科學資料進行修正的必備基準資料。
目前，上海天文臺已經將這套方案編制成相應的處理軟體，在位於義大利都靈的Gaia天體測量資料處理中心運行，默默地為廣大資料使用者提供基準服務。這些工作也獲得了國內天體測量同行的認可和支持，同時獲得了國家自然基金的資助。
圖4:左：衛星基本角探測器檢測到的6小時週期變化；右：上海台團組任意選取的某天觀測資料得到的6小時週期振幅的天體測量資料驗證結果，橫坐標是同時性觀測選取條件，縱坐標是6小時週期振幅。這與星載鐳射干涉結果一致性較好。左圖版權：ESA，右圖版權：上海天文臺
Gaia DR2新成果提前看與HIPPARCOS和Tycho-2星表作為先驗值的第一批資料（於2016年9月發佈）不同的是，本次釋放的Gaia第二批資料完全來源於Gaia在2014年6月25日至2016年5月23日期間共668天的觀測資料處理而成。Gaia DR2包含以下內容：
1）總計17億顆目標的天球位置和Gaia G星等（G波段星等介於3到21等之間）；這裡需注意，星表中天體位置和運動資料的時刻是J2015.5使用的空間參考系是ICRS，而非傳統的J2000.0平赤道參考系和J2000.0位置時刻。
2）多於13億顆目標的三角視差（依據視差，可以計算出距離）、自行以及藍/紅測光資訊。對於G波段星等亮於15等的天體，視差精度約0.04毫角秒，自行精度約0.06毫角秒/年；對於G波段星等等於17星等的天體，視差精度約0.1毫角秒，自行精度0.2毫角秒/年；對於暗端（G波段星等等於20星等）的天體，視差精度0.7毫角秒，自行精度1.2毫角秒/年；
3）多於700萬顆目標的視向速度資訊，其中亮端精度達到200-300米/秒，暗端精度約為1.2千米/秒；
4）天體物理參數：1.61億顆亮於17星等目標的表面溫度資訊（3000開爾文至10000開爾文）、8700萬顆目標的消光、紅化資訊，7600萬顆目標的半徑和亮度資訊；
5）50萬顆變星的光度曲線和分類資訊；
6）基於150萬次有效觀測資料給出14099個太陽系內天體（主要是小行星）的位置和觀測曆元資訊；
7）多於50萬顆類星體的位置和Gaia G波段的星等資訊，基於這些類星體，Gaia首次創建了微角秒水準的光學波段的天球參考架 GCRF (Gaia Celestial Reference Frame)。
基於這些資料，天文學家們都做出了哪些有意思的結果呢？Gaia官方網站上列出了幾個結果，來讓我們一睹為快。
銀河系考古學赫羅圖（HR圖）最早是由兩位天文學家Hertzsprung和Russell分別於1911年和1913年提出的，展示的是恒星顏色（或溫度）和光度（或絕對星等，表徵發光本領）之間的關係，是用於研究恒星演化的重要工具。光度是指，天體每秒鐘發出的總能量。
赫羅圖之所以能用於研究恒星演化，是因為雖然恒星個性繁多，但個性主要由兩個參數——表面溫度和恒星的發光本領決定。如果我們先進行如下設置，赫羅圖的橫坐標表示溫度，縱坐標表示發光本領，橫軸方向，從左至右，溫度越來越低；縱軸方向，從下至上，發光本領越來越強。再將足夠多恒星的性質展示到這張圖上，就會發現規律，從右下方到左上方的對角線上點分佈密集，天文學家把這條帶稱作主序帶，帶上的恒星稱作主序星，在左下方和右上方也存在聚集區。
天文學家們從Gaia DR2資料中挑選出太陽附近5000光年範圍內的400萬顆恒星，繪製出赫羅圖，首次展示了諸多細節。類似我們太陽的恒星演化到生命晚期，會成為白矮星。恒星的品質差別決定了即使同為白矮星，也存在組成成分的差別；這些不同類別的白矮星究竟有怎樣的不同，處在赫羅圖左下方的它們究竟有怎樣的性質，新的赫羅圖能給出些許答案。
圖5：基於Gaia DR2資料挑選出太陽附近5000光年範圍內400萬顆恒星繪製的赫羅圖，圖片：ESA
三維的銀河系“地圖”針對太陽附近幾千光年範圍內的恒星樣本，Gaia測量了它們的三維速度資訊，展示了這些恒星的運動模式。更精確的更大資料樣本將足以讓天文學家們確定出這些恒星的運動是否蘊含著銀河系的結構——棒、旋臂等的影響，又或是幾十億年前銀河系與更小星系之間的相互作用留下的印記。
Gaia的精度允許我們看清楚一些由引力束縛的恒星聚集區內部的恒星運動情況，這些恒星聚集區指球狀星團或銀河系的衛星星系——矮星系。對它們的研究，將促進對銀河系的結構、形成和演化的研究。
其它Gaia DR2給出了14099個太陽系內天體（主要是小行星）的位置和觀測曆元資訊，為太陽系的結構研究提供了一個好樣本。Gaia還提供了多於50萬顆類星體的位置和Gaia G波段的星等資訊，基於這些類星體，Gaia首次創建了微角秒水準的光學波段的天球參考架。
總結Gaia的觀測還在進行，源源不斷的觀測資料還在處理分析中。相信後續還有更多的資料發佈和更多研究成果。
中國自主創新研製的郭守敬望遠鏡（即“大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡”，英文簡稱LAMOST）的科學目標之一是觀測銀河系中的恒星，基於它們的光譜研究銀河系的結構、形成與演化。Gaia衛星資料和LAMOST資料提供的資訊可以相互補充、校驗，相較于Gaia衛星提供的資料，LAMOST能提供更多恒星光譜，分析得到諸如恒星化學成分、星族資訊等物理性質。目前，包括上海天文臺在內的各大研究單位的該領域研究人員正結合LAMOST和Gaia資料進行分析研究，敬請期待他們的成果。
中國一方面正在參與國際項目，貢獻力量和學習經驗並重；另一方面也在積極開展自主創新研究，邀請國際同行參與合作。為了美好的未來，我輩當繼續不忘初心，砥礪前行啊。
“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用資訊化手段開展科學傳播的科學權威品牌。
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並對不同資料處理模型的解算結果進行了比較，編制了相應的歸算軟體。Gaia衛星上攜帶了兩個望遠鏡，觀測過程中兩者指向的夾角（基本角）固定維持在106.5度，通過從兩個方向精確測量不同天區天體間的相對位置，可實現天體位置和距離的精確測量。因此，這一獨特設計的成敗與否，取決於基本角能否穩定住。根據設計，夾角的變化量不能超過4微角秒。
https://v.qq.com/x/page/l0639k30hfy.html
然而，2014年衛星觀測試運行期間，監測望遠鏡指向的星載鐳射干涉系統顯示，基本角存在超出預期的突變、長週期變化以及振幅為1毫角秒的6小時短週期變化等棘手問題。如果不解決超預期的基本角變化問題，整個專案將無法實現預期目標，工程將面臨失敗的風險。
針對此問題，當時作為雙方共同培養的上海天文臺博士研究生廖石龍（現為上海天文臺助理研究員）在雙方導師的指導下，非常出色地完成了《Gaia 短期天體測量資料的重建與分析》 的博士論文。
獨立于歐空局其它單位，上海天文臺提出一種方案，基於實測的天體資料，利用獨創的同時性較差觀測的原理獨立校驗，解算衛星基本角的變化，並與衛星攜帶的鐳射干涉監測系統的結果進行交叉對比，核實並獨立獲得衛星基本角變化的各種週期和振幅資料。而經核實的基本角變化資料是Gaia資料分析處理中心對其最終科學資料進行修正的必備基準資料。
目前，上海天文臺已經將這套方案編制成相應的處理軟體，在位於義大利都靈的Gaia天體測量資料處理中心運行，默默地為廣大資料使用者提供基準服務。這些工作也獲得了國內天體測量同行的認可和支持，同時獲得了國家自然基金的資助。
圖4:左：衛星基本角探測器檢測到的6小時週期變化；右：上海台團組任意選取的某天觀測資料得到的6小時週期振幅的天體測量資料驗證結果，橫坐標是同時性觀測選取條件，縱坐標是6小時週期振幅。這與星載鐳射干涉結果一致性較好。左圖版權：ESA，右圖版權：上海天文臺
Gaia DR2新成果提前看與HIPPARCOS和Tycho-2星表作為先驗值的第一批資料（於2016年9月發佈）不同的是，本次釋放的Gaia第二批資料完全來源於Gaia在2014年6月25日至2016年5月23日期間共668天的觀測資料處理而成。Gaia DR2包含以下內容：
1）總計17億顆目標的天球位置和Gaia G星等（G波段星等介於3到21等之間）；這裡需注意，星表中天體位置和運動資料的時刻是J2015.5使用的空間參考系是ICRS，而非傳統的J2000.0平赤道參考系和J2000.0位置時刻。
2）多於13億顆目標的三角視差（依據視差，可以計算出距離）、自行以及藍/紅測光資訊。對於G波段星等亮於15等的天體，視差精度約0.04毫角秒，自行精度約0.06毫角秒/年；對於G波段星等等於17星等的天體，視差精度約0.1毫角秒，自行精度0.2毫角秒/年；對於暗端（G波段星等等於20星等）的天體，視差精度0.7毫角秒，自行精度1.2毫角秒/年；
3）多於700萬顆目標的視向速度資訊，其中亮端精度達到200-300米/秒，暗端精度約為1.2千米/秒；
4）天體物理參數：1.61億顆亮於17星等目標的表面溫度資訊（3000開爾文至10000開爾文）、8700萬顆目標的消光、紅化資訊，7600萬顆目標的半徑和亮度資訊；
5）50萬顆變星的光度曲線和分類資訊；
6）基於150萬次有效觀測資料給出14099個太陽系內天體（主要是小行星）的位置和觀測曆元資訊；
7）多於50萬顆類星體的位置和Gaia G波段的星等資訊，基於這些類星體，Gaia首次創建了微角秒水準的光學波段的天球參考架 GCRF (Gaia Celestial Reference Frame)。
基於這些資料，天文學家們都做出了哪些有意思的結果呢？Gaia官方網站上列出了幾個結果，來讓我們一睹為快。
銀河系考古學赫羅圖（HR圖）最早是由兩位天文學家Hertzsprung和Russell分別於1911年和1913年提出的，展示的是恒星顏色（或溫度）和光度（或絕對星等，表徵發光本領）之間的關係，是用於研究恒星演化的重要工具。光度是指，天體每秒鐘發出的總能量。
赫羅圖之所以能用於研究恒星演化，是因為雖然恒星個性繁多，但個性主要由兩個參數——表面溫度和恒星的發光本領決定。如果我們先進行如下設置，赫羅圖的橫坐標表示溫度，縱坐標表示發光本領，橫軸方向，從左至右，溫度越來越低；縱軸方向，從下至上，發光本領越來越強。再將足夠多恒星的性質展示到這張圖上，就會發現規律，從右下方到左上方的對角線上點分佈密集，天文學家把這條帶稱作主序帶，帶上的恒星稱作主序星，在左下方和右上方也存在聚集區。
天文學家們從Gaia DR2資料中挑選出太陽附近5000光年範圍內的400萬顆恒星，繪製出赫羅圖，首次展示了諸多細節。類似我們太陽的恒星演化到生命晚期，會成為白矮星。恒星的品質差別決定了即使同為白矮星，也存在組成成分的差別；這些不同類別的白矮星究竟有怎樣的不同，處在赫羅圖左下方的它們究竟有怎樣的性質，新的赫羅圖能給出些許答案。
圖5：基於Gaia DR2資料挑選出太陽附近5000光年範圍內400萬顆恒星繪製的赫羅圖，圖片：ESA
三維的銀河系“地圖”針對太陽附近幾千光年範圍內的恒星樣本，Gaia測量了它們的三維速度資訊，展示了這些恒星的運動模式。更精確的更大資料樣本將足以讓天文學家們確定出這些恒星的運動是否蘊含著銀河系的結構——棒、旋臂等的影響，又或是幾十億年前銀河系與更小星系之間的相互作用留下的印記。
Gaia的精度允許我們看清楚一些由引力束縛的恒星聚集區內部的恒星運動情況，這些恒星聚集區指球狀星團或銀河系的衛星星系——矮星系。對它們的研究，將促進對銀河系的結構、形成和演化的研究。
其它Gaia DR2給出了14099個太陽系內天體（主要是小行星）的位置和觀測曆元資訊，為太陽系的結構研究提供了一個好樣本。Gaia還提供了多於50萬顆類星體的位置和Gaia G波段的星等資訊，基於這些類星體，Gaia首次創建了微角秒水準的光學波段的天球參考架。
總結Gaia的觀測還在進行，源源不斷的觀測資料還在處理分析中。相信後續還有更多的資料發佈和更多研究成果。
中國自主創新研製的郭守敬望遠鏡（即“大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡”，英文簡稱LAMOST）的科學目標之一是觀測銀河系中的恒星，基於它們的光譜研究銀河系的結構、形成與演化。Gaia衛星資料和LAMOST資料提供的資訊可以相互補充、校驗，相較于Gaia衛星提供的資料，LAMOST能提供更多恒星光譜，分析得到諸如恒星化學成分、星族資訊等物理性質。目前，包括上海天文臺在內的各大研究單位的該領域研究人員正結合LAMOST和Gaia資料進行分析研究，敬請期待他們的成果。
中國一方面正在參與國際項目，貢獻力量和學習經驗並重；另一方面也在積極開展自主創新研究，邀請國際同行參與合作。為了美好的未來，我輩當繼續不忘初心，砥礪前行啊。
“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用資訊化手段開展科學傳播的科學權威品牌。
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