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盖亚任务

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盖亚任务（Gaia）是欧洲空间局的空间望远镜[4]。该任务的目的是要绘制一个包含约10亿颗或银河系1%恒星的三维星图[5][6][7]。作为依巴谷卫星的后继任务，盖亚任务是欧洲空间局在2000年以后的远期科学任务。盖亚任务在约5年的任务中将可观测到视星等最暗为20等的天体。它的目标包含：

Gaia
基本资料
组织机构欧洲空间局
主要制造商阿斯特里姆、e2v
发射日期2013年12月19日 09:12:14 (2013-12-19UTC09:12:14Z) UTC[1]
发射地点法属圭亚那库鲁
发射载体Soyuz ST-B
任务时长至少5或6年[2]
质量2030 公斤[3]
轨道类型环绕地球轨道L2拉格朗日点的利萨如轨道[3]
波段可见光
口径进入轨道后圆形遮阳板约11米[3]
网站Gaia pages

盖亚任务的资料将可建立在银河系内甚至之外的极高分辨率三维星图，并且绘出恒星的运动方向以了解银河系的形成与演化。分光光度法量测可以得知被观测恒星的物理性质，以确认其光度、有效温度、表面重力和组成元素。这种大规模的恒星观测将提供许多基本观测资料以解决关于银河系形成、结构与演化等多种重要问题。大量的类星体、星系、太阳系外行星和太阳系天体也将同时被观测。

自任务开始以来，已经发布了四个天体目录：包含11亿个天体的盖亚DR1、包含17亿个天体的盖亚DR2、包含18亿个天体的盖亚EDR3和盖亚DR3。 进一步扩大和改进的天体目录已经公布。 所有已发布的数据均可在互联网上的数据库中向公众提供[10]。

作为依巴谷卫星的后继任务，盖亚任务是欧洲空间局的地平线2000+ (Horizon 2000+)长期科学计划的一部分。亚利安航太公司于2013年12月19日在圭亚那太空中心使用联盟号运载火箭为 ESA 发射盖亚空间望远镜[11]。该卫星在地球轨道的 L2 拉格朗日点附近以利萨如轨道运行。

航天器

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盖亚是由阿丽亚娜太空中心（英语：Arianespace）使用Soyuz ST-B（英语：Soyuz at the Guiana Space Centre）和以Fregat-MT（英语：Fregat）为上层组合的火箭，于2013年12月19日9:12（世界时，当地为6:12）从位于法属圭亚那库互的Ensemble de Lancement Soyouz（英语：Ensemble de Lancement Soyouz） 发射。在发射后43分钟（9:54 UTC），卫星与火箭脱离[12][13]，由上层推送朝向太阳-地球的L2点前进，于2014年1月8日抵达距离地球约150万公里的L2点[14]。L2点为航天器提供了非常稳定的引力和热环境。航天器使用利萨如轨道以避免太阳被地球遮蔽，限制了太阳能电池板所获得的能量，以及扰乱与妨碍航天器的热平衡。发射之后，总是朝向太阳的10米直径遮阳板被展开，从而保持望远镜所有的元件都是冷却的，而且其表面的太阳能电池都能使用。

科学仪器

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观测原理

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观测示意图
 
ESOC控制中心

盖亚任务和先前的依巴谷卫星类似，包含两个望远镜可观测两者之间固定的广角观测方向。该空间望远镜会持续以两个望远镜的观测方向垂直向为轴转动。而它的自转轴在天球上会划出一个小幅度的进动轨迹，同时保持与太阳相同的夹角。透过从两个方向精确观测天体在天球上的相对位置，就可得到一个固定的参考系统。

和它的名称不同的是，盖亚任务实际上并未使用干涉测量术确认天体位置。在原始设计时干涉测量术原被认为是实现足够目标分辨率的方式，但之后演变成现在的成像望远镜。

在观测范围中每个天体平均会被观测70次，并且任务预期持续5年。这些量测将帮助确认以下天文测量的参数：在天球上随时间变化的恒星角位置并得知其视差以计算距离、使用光谱仪以多普勒光谱学法量测较亮恒星的径向速度。

在盖亚空间望远镜内设有两个熔融石英棱镜以进行多色测光。棱镜位置分散在所有光线进入望远镜视野内，尚未到达侦测仪器的光路上。蓝色分光光度计负责观测波长3300–6800Å光线，红色分光光度计则覆盖6400–10500Å[15]。

天文学家还希望利用盖亚任务以天体测量法观测到系外行星并确认其轨道倾角。

卫星仪器与性能

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各光学望远镜主镜尺寸比较

盖亚任务的卫星酬载包含：

  • 两座主镜口径1.45 x 0.5米的望远镜。
  • 两个望远镜投影的1.0 x 0.5米焦平面阵列。这是由106个 4500 x 1966像素的CCD 所组成。

盖亚空间望远镜包含三个各自分离的仪器：

  • 天文测量仪（ASTRO），量测视星等5.7到20等之间恒星的角位置。
  • 光度仪，可量测视星等5.7到20等恒星320-1000 nm 波段的光谱[来源请求]。而蓝色和红色分光光度计则用来确认恒星状态，例如表面温度、质量、年龄、组成元素[8]。
  • 径向速度光谱仪，在波段847-874 nm（钙离子线）观测视线上最暗17等天体取得其高分辨率光谱以测定天体径向速度。在 V 波段11.5等时分辨率可达1 km/s，17.5等时则是30 km/s。径向速度的量测对于修正视线方向加速度是很重要的[15]。

卫星的遥测链路传输速度平均值大约是1 Mbit/s，而在焦平面的总传输速度是数 Gbit/s，因此在每个天体影像周围只有数十个像素可下载。这代表对天体影像的侦测与控制是强制性的。当观测恒星密度高的区域时，这类过程将特别复杂。

任务历程

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盖亚任务于1993年10月由瑞典隆德大学的伦纳特·林德格伦和 ESA 的麦可·佩里曼提出建议加入 Horizon Plus 的长期科学任务。2000年10月13日欧洲空间局科学计划委员会接受该计划，并列为基石任务的第6项计划。2006年2月9日盖亚任务被定为B2期程，并由阿斯特里姆负责硬件设备制造。本任务总预算包含空间望远镜制造、发射和地面控制总共约7.4亿欧元[16]。

在盖亚任务预定的5年任务中假设压缩后的资料传输率1 Mbit/s，总资料量将达到约60 TB，即200 TB的未压缩可用资料量。而 ESA 提供部分资金的资料处理任务则委托给2006年11月 ESA 的相关招标公告公布后传送计划书，并获选的资料处理与分析联盟（Data Processing and Analysis Consortium，DPAC）进行。DPAC 的资金将由参与计划的国家提供，并且保证会提供至盖亚任务资料最终天体目录预计制作完成的2020年。

盖亚空间望远镜每天将有8个小时以5 Mbit/s的速率传输资料。ESA 将使用最敏感的三个卫星地面站，即位于西班牙的塞夫雷罗斯地面站（英语：Cebreros Station），阿根廷的马拉圭地面站（英语：Malargüe Station），和澳大利亚的新诺西亚地面站（英语：New Norcia Station）以直径35米的天线进行资料接收[8]。

目的

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盖亚空间望远镜任务有以下目的：

  • 要确定一颗恒星的光度，确认其距离是必要条件之一。恒星的视差是少数不需要透过物理假设得知恒星距离的方式之一，而地面的望远镜因为大气层扰动和仪器误差而无法得到足够精确的视差量测结果。
  • 观测光度最微弱的天体可以使恒星光度模式更加完整。所有天体到达一定亮度时都必须被量测以获得无偏差的样本。
  • 必须要有大量的观测对象以解释恒星演化中较快速的阶段。观测银河系中大量天体对于了解银河系的动力学模式也相当重要，要注意的是，10亿颗恒星仍不到银河系总恒星数量的1%。
  • 对恒星的天体测量和观测恒星在银河系中运动状态是了解各种恒星分布模式的必要方式，由其是较远处恒星的。

盖亚任务预期可达到以下成果：

  • 可对超过10亿颗恒星进行天文测量，可观测最暗恒星为V波段视星等20等。
  • 确认恒星的位置，依恒星表面颜色的不同，V波段10等恒星的精确度可达7 μas，相当于在1000公里以外测量一根头发的直径；15等时精确度约12到25 μas，20等时则是100到300 μas。
  • 确认距离地球最近恒星的距离误差约0.001%。而距离地球约3万光年，接近银河系中心的距离误差20%。
  • 量测4000万颗恒星的切向速度精确度预期至少0.5 km/s。
  • 精确量测1000颗系外行星的轨道和轨道倾角，并以天文测量法确认行星的真实质量[17]。

盖亚任务其他相关于基础物理的观测则有侦测阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论预测的，光因为太阳重力场而弯曲的程度；因此可以直接观测时空的结构[8]。

资料释放

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盖亚星表（英语：Gaia catalogue）将分阶段释出：预期早期的版本是不完整的，特别是在众星聚集区中较黯淡的那些恒星[18]。最先释出的资料，盖亚DR1，是依据2015年7月至2016年9月13日，共14个月的观测资料[19][20]。这些释放的资料包括由盖亚测量的11亿颗恒星位置和光度；第谷第二星表和盖亚都有，超过200万颗恒星的位置、视差和自行整合的资料；大约3,000颗变星的“光度曲线和特性；用来定义天体参考框架…… 超过2,000个源自外星系的目标”[18][21][22]。要获得盖亚DR1，可以访问盖亚数据库[23]，或是经由其它的天文资料中心，例如斯特拉斯堡天文资料中心（CDS）。

第二阶段的资料（DR2）已在2018年4月25日释出[24][25]，是基于2014年7月25日至2016年5月23日期间22个月的观测资料。它包括约13 亿颗恒星的位置、视差和自行，以及另外3 亿颗恒星在g = 3–20 星等范围内的位置[26]， 约11 亿颗恒星的红色和蓝色光度数据以及一颗恒星的单色光度资料，所有的恒星在红色和蓝色的光度资料都可接受正规的标准误差；对许多简单的情况，可以测量径向速度。另外 4 亿颗恒星，以及大约 700 万颗 4 到 13 等恒星的中位数径向速度。它还包含超过 14,000 个选定太阳系天体的资料[27][28]。

 
Stars and other objects in Gaia Early Data Release 3

由于资料管道存在不确定性，基于34个月的观察，第三阶段资料发布被分为两部分，以便先发布准备好的资料。 第一部分 EDR3（“早期资料发布 3”）由改进的位置、视差和自行组成，于2020年12月3日发布[29]。EDR3 中的座标使用新版的盖亚天体参考系(Gaia–CRF3)，基于对1,614,173 个河外源的观测[29]， 其中2,269 个是国际天球参考系第三次修订版中的射电源所共有的 ( ICRF3）[30]。 其中包括盖亚附近恒星目录 (GCNS)，其中包含（nominally） 100秒差距（330光年）内的 331,312 颗恒星[31][32]。

完整的第三阶段DR3于2022年6月13日发布，包括 EDR3 数据和太阳系数据； 变异性资讯； 非单星、类星体和扩展天体的结果； 天体物理参数； 以及一个特殊的资料集，盖亚仙女座光度调查（GAPS）[33]。 最终的盖亚目录预计将在盖亚任务结束三年后发布[34]。

未来资料释放

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为期五年的名义任务DR4的完整数据发布将包括完整的天体测量、光度测量和径向速度目录、变星和非单星解决方案、源分类以及恒星、未解析的双星、星系的多个天体物理参数和类星体，所有来源的系外行星列表以及历元和凌日资料。 根据任务延期，将进行额外的发布[18]。 DR4中的大多数测量预计比DR2精确1.7倍； 自行的精度将提高4.5倍[35]。

最后一个目录DR5将使用并发布整整10年的数据。其精度将是DR4的1.4倍，而自行的精度将是DR4的2.8倍[35]。 该报告将在任务结束后三年内出版。 所有目录的所有资料都将在免费使用的线上数据库中提供。

盖亚天空(Gaia Sky)的资料运用，将推广来探索星系在三度空间的研究[36]。

显著成果

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2017 年 7 月，盖亚-欧洲南方天文台巡天报告称，利用这些数据寻找双星、三合星和四合星。 他们利用先进的技术确定了 342 个双星候选、11 个三合星候选和 1 个四合星候选。 其中九个已通过其他方式识别，从而证实该技术可以正确识别多个恒星系统[37]。 可能的四合星系统是 HD 74438，在 2022 年发表的一篇论文中，它被确定为亚钱德拉塞卡 Ia 型超新星的可能前身[38]。

2017 年11 月，荷兰格罗宁根大学卡普坦天文研究所的达维德·马萨里(Davide Massari)领导的科学家发表了一篇论文[39]，描述了玉夫座矮星系内自行运动(3D) 的特征，以及该星系穿过空间和相对于银河系的轨迹，使用来自盖亚和哈勃空间望远镜的数据。 马萨里说：“随着精度的提高，我们可以测量天空中恒星每年的运动，从地球上看，它的大小相当于月球上针头的大小。” 数据显示，玉夫座矮星系以高椭圆轨道绕银河系运行； 它目前距离它最近的距离约为 83.4 千秒差距（272,000 光年），但轨道可以将其带到约 222 千秒差距（720,000 光年）的距离。

2018 年 10 月下旬，发现了星系族盖亚-恩克拉多斯 (Gaia-Enceladus)，它是与已不复存在的恩克拉多斯矮星发生重大合并的遗迹[40]。 此系统与至少 13 个球状星团以及银河系厚盘的形成有关。 它代表了大约 100 亿年前银河系的一次重大合并[41]。

 
盖亚的赫罗图。

2018年11月，星系Antlia 2被发现。 它的大小与大麦哲伦星云相似，尽管亮度弱一万倍。 Antlia 2 的表面亮度是所有已发现星系中最低的[42]。

2019年12月，发现了Price-Whelan 1星团[43]。 该星团属于麦哲伦云，位于这些矮星系的前臂。 这项发现表明，从麦哲伦云延伸到银河系的气体流距离银河系的距离大约是先前认为的一半[44]。

拉德克利夫波是在盖亚 2020 年 1 月发布的测量数据中发现的[45][46]。

2020年11月，盖亚测得太阳系朝向银心的加速度为0.23奈米/s2[47][48]。

2021年3月，欧洲空间局宣布盖亚首次发现了一颗凌日系外行星。 这颗行星被发现围绕着太阳型恒星盖亚EDR3 3026325426682637824 运行。在最初发现之后，亚利桑那州大双筒望远镜(LBT) 的PEPSI摄谱仪证实了这一发现，并将其归类为木星行星，这是一颗由氢和氦气组成的气体行星[49][50]。 2022 年 5 月，正式公布了这颗系外行星（命名为 Gaia-1b）的确认，以及第二颗行星Gaia-2b[51]。

根据其数据，盖亚的赫罗图（HR 图）是银河系有史以来最准确的图之一[52]。

图库

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  •  
    四张银河系图: 径向速度 (左上方), 自行（左下）； 星际尘埃（右上）； 和金属丰度（右下）[53]。
  •  
    A visualisation of Gaia scanning the sky in great circles lasting about 6 hours from July 2014 to September 2015.[54]
  •  
    Illustration of Oort's formulae describing the curve obtained from plotting angular velocities against the galactic longitude[55][56]
  •  
    Microlensing events over the galactic map as observed by Gaia from 2014 to 2018[57][58] (Timer on bottom left corner)
  •  
    The image covers about 0.6 square degrees, making it conceivable that there are some 2.8 million stars captured in this image sequence alone. The image appears in strips, each representing a sky mapper CCD. The image was taken on 7 February 2017.[61]

相关条目

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参考资料

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