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盖亚任务

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Gaia
Maquette de Gaia salon du Bourget 2013 DSC 0191.JPG
基本资料
组织机构 歐洲太空總署
主要制造商 阿斯特里姆e2v
发射日期 19 December 2013, 09:12:14 (2013-12-19UTC09:12:14Z) UTC[1]
发射地点 法屬圭亞那库鲁
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 環繞地球軌道L2拉格朗日點利薩如軌道[3]
波段 可见光
口径 進入軌道後圓形遮陽板約11公尺[3]
网站 Gaia pages

蓋亞任務Gaia)是歐洲太空總署太空望遠鏡[4]。該任務的目的是要繪製一個包含約10億顆或銀河系1%恆星的三維星圖[5][6][7]。作為依巴谷卫星的後繼任務,蓋亞任務是歐洲太空總署在2000年以後的遠期科學任務。蓋亞任務在約5年的任務中將可觀測到視星等最暗為20等的天體。它的目標包含:

蓋亞任務的資料將可建立在銀河系內甚至之外的極高解析度三維星圖,並且繪出恆星的運動方向以了解銀河系的形成與演化。分光光度法量測可以得知被觀測恆星的物理性質,以確認其光度有效溫度、表面重力和組成元素。這種大規模的恆星觀測將提供許多基本觀測資料以解決關於銀河系形成、結構與演化等多種重要問題。大量的類星體、星系、太陽系外行星和太陽系天體也將同時被觀測。

亞利安航太公司Arianespace SA)於2013年12月19日在蓋亞那太空中心使用聯盟號運載火箭為 ESA 發射蓋亞太空望遠鏡[10]。該衛星將在地球軌道的 L2 拉格朗日點附近以利薩如軌道運行。

太空船[编辑]

蓋亞是由阿麗亞娜太空中心英语Arianespace使用Soyuz ST-B英语Soyuz at the Guiana Space Centre和以Fregat-MT英语Fregat為上層組合的火箭,於2013年12月19日9:12(世界時,當地為6:12)從位於法屬蓋亞那庫互Ensemble de Lancement Soyouz英语Ensemble de Lancement Soyouz 發射。在發射後43分鐘(9:54 UTC),衛星與火箭脫離[11][12],由上層推送朝向太陽-地球的L2前進,於2014年1月8日抵達距離地球約150萬公里的L2[13]。L2點為太空船提供了非常穩定的引力和熱環境。太空船使用利薩如軌道以避免太陽被地球遮蔽,限制了太陽能電池板所獲得的能量,以及擾亂與妨礙太空船的熱平衡。發射之後,總是朝向太陽的10米直徑遮陽板被展開,從而保持望遠鏡所有的元件都是冷卻的,而且其表面的太陽能電池都能使用。

科學儀器[编辑]

觀測原理[编辑]

觀測示意圖

蓋亞任務和先前的依巴谷卫星類似,包含兩個望遠鏡可觀測兩者之間固定的廣角觀測方向。該太空望遠鏡會持續以兩個望遠鏡的觀測方向垂直向為軸轉動。而它的自轉軸在天球上會劃出一個小幅度的進動軌跡,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。

和它的名稱不同的是,蓋亞任務實際上並未使用干涉测量术確認天體位置。在原始設計時干涉測量術原被認為是實現足夠目標解析度的方式,但之後演變成現在的成像望遠鏡。

在觀測範圍中每個天體平均會被觀測70次,並且任務預期持續5年。這些量測將幫助確認以下天文測量的參數:在天球上隨時間變化的恆星角位置並得知其視差以計算距離、使用光譜儀以都卜勒光譜學法量測較亮恆星的徑向速度。

在蓋亞太空望遠鏡內設有兩個熔融石英棱鏡以進行多色測光。稜鏡位置分散在所有光線進入望遠鏡視野內,尚未到達偵測儀器的光路上。藍色分光光度計負責觀測波長3300–6800Å光線,紅色分光光度計則覆蓋6400–10500Å[14]

天文學家還希望利用蓋亞任務以天體測量法觀測到系外行星並確認其軌道傾角

衛星儀器與性能[编辑]

各光学望远镜主镜尺寸比较

蓋亞任務的衛星酬載包含:

  • 兩座主鏡口徑1.45 x 0.5公尺的望遠鏡。
  • 兩個望遠鏡投影的1.0 x 0.5公尺焦平面陣列。這是由106個 4500 x 1966像素CCD 所組成。

蓋亞太空望遠鏡包含三個各自分離的儀器:

  • 天文測量儀(ASTRO),量測視星等5.7到20等之間恆星的角位置。
  • 光度儀,可量測視星等5.7到20等恆星320-1000 nm 波段的光譜[來源請求]。而藍色和紅色分光光度計則用來確認恆星狀態,例如表面溫度、質量、年齡、組成元素[8]
  • 徑向速度光譜儀,在波段847-874 nm(鈣離子線)觀測視線上最暗17等天體取得其高解析度光譜以測定天體徑向速度。在 V 波段11.5等時解析度可達1 km/s,17.5等時則是30 km/s。徑向速度的量測對於修正視線方向加速度是很重要的[14]

衛星的遙測鏈路傳輸速度平均值大約是1 Mbit/s,而在焦平面的總傳輸速度是數 Gbit/s,因此在每個天體影像周圍只有數十個像素可下載。這代表對天體影像的偵測與控制是強制性的。當觀測恆星密度高的區域時,這類過程將特別複雜。

任務歷程[编辑]

蓋亞任務於1993年10月由瑞典隆德大學倫納特·林德格倫和 ESA 的麥可·佩里曼提出建議加入 Horizon Plus 的長期科學任務。2000年10月13日歐洲太空總署科學計畫委員會接受該計畫,並列為基石任務的第6項計畫。2006年2月9日蓋亞任務被定為B2期程,並由阿斯特里姆負責硬體設備製造。本任務總預算包含太空望遠鏡製造、發射和地面控制總共約7.4億歐元[15]

在蓋亞任務預定的5年任務中假設壓縮後的資料傳輸率1 Mbit/s,總資料量將達到約60 TB,即200 TB的未壓縮可用資料量。而 ESA 提供部分資金的資料處理任務則委託給2006年11月 ESA 的相關招標公告公布後傳送計畫書,並獲選的資料處理與分析聯盟(Data Processing and Analysis Consortium,DPAC)進行。DPAC 的資金將由參與計畫的國家提供,並且保證會提供至蓋亞任務資料最終天體目錄預計製作完成的2020年。

蓋亞太空望遠鏡每天將有8個小時以5 Mbit/s的速率傳輸資料。ESA 將使用最敏感的兩個衛星地面站,即位於西班牙塞夫雷羅斯地面站澳大利亞新諾西亞地面站以直徑35公尺的天線進行資料接收[8]

目的[编辑]

蓋亞太空望遠鏡任務有以下目的:

  • 確定一顆恆星的光度,這是確認恆星距離的必要條件。恆星的視差是少數不需要透過物理假設得知恆星距離的方式之一,而地面的望遠鏡因為大氣層擾動和儀器誤差而無法得到足夠精確的視差量測結果。
  • 觀測光度最微弱的天體可以使恆星光度模式更加完整。所有天體到達一定亮度時都必須被量測以獲得無偏差的樣本。
  • 必須要有大量的觀測對象以解釋恆星演化中較快速的階段。觀測銀河系中大量天體對於了解銀河系的動力學模式也相當重要,要注意的是,10億顆恆星仍不到銀河系總恆星數量的1%。
  • 對恆星的天體測量和觀測恆星在銀河系中運動狀態是了解各種恆星分布模式的必要方式,由其是較遠處恆星的。

蓋亞任務預期可達到以下成果:

  • 可對超過10億顆恆星進行天文測量,可觀測最暗恆星為V波段視星等20等。
  • 確認恆星的位置,依恆星表面顏色的不同,V波段10等恆星的精確度可達7 μas,相當於在1000公里以外測量一根頭髮的直徑;15等時精確度約12到25 μas,20等時則是100到300 μas。
  • 確認距離地球最近恆星的距離誤差約0.001%。而距離地球約3萬光年,接近銀河系中心的距離誤差20%。
  • 量測4000萬顆恆星的切向速度精確度預期至少0.5 km/s。
  • 精確量測1000顆系外行星的軌道和軌道傾角,並以天文測量法確認行星的真實質量[16]

蓋亞任務其他相關於基礎物理的觀測則有偵測阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論預測的,光因為太陽重力場而彎曲的程度;因此可以直接觀測时空的結構[8]

資料釋放[编辑]

蓋亞星表英语Gaia catalogue將分階段釋出:預期早期的版本是不完整的,特別是在眾星聚集區中較黯淡的那些恆星[17]。最先釋出的資料,蓋亞DR1,是依據2015年7月至2016年9月13日,共14個月的觀測資料[18][19]。這些釋放的資料包括由蓋亞測量的11億顆恆星位置和光度;第谷第二星表和蓋亞都有,超過200萬顆恆星的位置、視差和自行整合的資料;大約3,000顆變星的"光度曲線和特性;用來定義天體參考框架…… 超過2,000個源自外星系的目標"[20][21][17]。要獲得蓋亞DR1,可以訪問蓋亞資料庫[22],或是經由其它的天文資料中心,例如斯特拉斯堡天文資料中心(CDS)。

第二階段的資料(DR2)預計在2018年4月釋出,將包括10億顆恆星的位置、視差、和自行,所有的恆星在紅色和藍色的光度資料都可接受正規的標準誤差;對許多簡單的情況,可以測量徑向速度。第三階段版本的數據可能會包括許多"易於辨識"的聯星軌道解和光譜類型。第四階段釋出的數據可能將包括變星分類、太陽系的結果,和非單星星表。最後,完整的蓋亞星表,將在任務結束三年後的2022年釋出,在DR2和最終版本之間會有幾個版本則尚未決定[17]

蓋亞天空的資料運用,將推廣來探索星系在三度空間的研究[23]

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Gaia Liftoff. ESA. 19 December 2013. 
  2. ^ GAIA: FACT SHEET // ESA
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Gaia mission
  4. ^ ESA Gaia home. ESA. [23 October 2013]. 
  5. ^ ESA Gaia spacecraft summary, 20 May 2011
  6. ^ BBC Science and Environment:A billion pixels for a billion stars, 10 October 2011
  7. ^ Science Knowledge: We have already installed the eye of 'Gaia' with a billion pixels to study the Milky Way. 14 July 2011
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 ESA Gaia overview. 
  9. ^ ESA www site Mapping the Galaxy, and watching our backyard July 2004
  10. ^ arianespace.com Arianespace to launch Gaia; European Space Agency mission will observe a billion stars in our Galaxy. 2009
  11. ^ Clark, Stephen. Mission Status Center. Soyuz Launch Report. Spaceflight Now. 19 December 2013. 
  12. ^ Amos, Jonathan. BBC News – Gaia 'billion star surveyor' lifts off. 19 December 2013. 
  13. ^ Gaia project team. Commissioning update. esa. 24 April 2014. 
  14. ^ 14.0 14.1 The Gaia Project - technique, performance and status (PDF). 2008. doi:10.1002/asna.200811065. 
  15. ^ Gaia spacecraft set for launch on mission to map a billion stars. Theguardian. [15 December 2013]. 
  16. ^ Casertano, S.; Lattanzi, M. G.; Sozzetti, A.; Spagna, A.; Jancart, S.; Morbidelli, R.; Pannunzio, R.; Pourbaix, D.; Queloz, D. Double-blind test program for astrometric planet detection with Gaia. Astronomy and Astrophysics. 2008, 482 (2): 699. arXiv:0802.0515. Bibcode:2008A&A...482..699C. doi:10.1051/0004-6361:20078997.  编辑
  17. ^ 17.0 17.1 17.2 Data Release scenario. [4 February 2017]. 
  18. ^ Gaia space telescope plots a billion stars, Jonathan Amos, BBC, July 14, 2016
  19. ^ Gaia's billion-star map hints at treasures to come, ESA press release, September 13, 2016
  20. ^ Gaia Data Release 1 (Gaia DR1). 14 September 2016 [16 September 2016]. 
  21. ^ Data Release 1. 15 September 2016 [15 September 2016]. 
  22. ^ Gaia Archive
  23. ^ Sagristà Sellés, Toni, Gaia Sky, Heidelberg: Astronomisches Rechen-Institut (ZAH), Universität Heidelberg, 2016 

外部連結[编辑]