那是2013年12⽉19⽇的下午,我在上海刚刚结束了⼀个国际学术会议,赶紧借⽤了上海天⽂台的⼀间会议室,将欧洲空间局的直播视频投到幕墙上,与其他天⽂学家们⼀同观看⼀件⼤事件。远在地球另⼀边的,法属圭亚那库鲁⽕箭发射场矗⽴着俄罗斯的联盟⽕箭,它⻢上就要将欧洲空间局最⼤的天⽂卫星——盖亚(Gaia)送⼊深空。随着⽕箭发射成功,作为Gaia项⽬的⼀名参与者,我当时的⼼情⾮常激动。
画⾯中是万⾥之外的直播现场,看着那些熟悉的同事欢呼着相互拥抱,思绪把我拉回到了我的博⼠后⽣涯。
2009年的一天,我挤在海得堡⼤学计算天⽂学研究所⼀间狭⼩的会议室,屋⼦⾥坐满了观众,讲台上是著名的霍格教授(Erik H?g),他正在回忆现代欧洲天⽂学家对天体测量研究孜孜不倦的求索历程。我刚刚加⼊Gaia项⽬,是⾥⾯唯⼀的中国⼈。
国内有不少学者对霍格教授⽐较熟悉,最为深刻的记忆怕是在1992年,他在上海的国际会议之余⽤中⽂表演节⽬。作为Hipparcos和Gaia两代天体测量卫星的发起者,他不仅是现代天体测量学的先驱,创造性地改造中星仪,提升了天体测量观测技术,也是推动天体测量学成为天体物理学重要⽀柱的历史功⾂。
恒星的距离⼀直是天⽂学中最难测量的⼀个量。
古希腊天⽂学家依巴⾕(Hippachus)提出采⽤三⻆视差测量⽅法测定恒星的距离。这⼀⽅法⼀直⼴泛应⽤在⼤地测量上。在地球上间隔半年时间看同⼀颗星,因为两次观测的时候地球分别处于太阳两侧,观看恒星的时候,恒星和背景天体(假设位于近乎⽆穷远的地⽅)的相对位置因此会发⽣微⼩变化。虽然依巴⾕提出了如此简单的办法,但实现起来却并不容易。
古代的天⽂学家其实并不知道恒星到我们的距离远远超过⼤⾏星到我们的距离,恒星的三⻆视差都极其微⼩。今天我们知道据离我们最近的恒星的三⻆视差也只有0.75⻆秒左右,相当于在1千⽶之外识别3毫⽶的位置变化。
在没有望远镜的年代⾥,这是⼀项不可完成的任务。即便后来望远镜被⼴泛应⽤于天⽂观测,实现如此⼩的空间位移的测量也耗费了天⽂学家数百年时间。
到了19世纪,这场漫⻓的测量终于进⼊⾼潮,斯特鲁维(Wilhelm Struve)⾃1835年开始测量织⼥星的三⻆视差,但结果直到1840年才正式发表。⻉塞尔(Friedich Bessel)虽然在1837年才⼊场,但于1838年就率先发表了天鹅座61(61 Cygni)的三⻆视差,赢得了这场旷⽇持久的⻢拉松。⼈类第⼀次知道了恒星到我们的距离是如此遥远。
值得⼀提的是两位天⽂学家⽤的望远镜都是德国物理学家和⼯匠夫琅⽲费(Joseph Fraunhofer)制作的。亨德森(Thomas Henderson)仅仅晚了⻉塞尔⼀年,发表了对距离太阳最近的三星系统半⼈⻢座α星的测量结果。虽然他选择的是最容易观测的⽬标,但测量过程太拖沓了。
从罗默望远镜计划到GAIA,最后成为盖亚(Gaia),显示了⼀个⼤型空间项⽬如何在⼏近不可能的科学指标和最优化技术实现之间取得完美的平衡。这充分显示了ESA在空间望远镜建设上的⾼超管理⽔平以及欧洲天⽂学家和⼯业界的精细严谨的⼯匠精神和合作共赢的团队精神,值得我们借鉴和学习。
盖亚项⽬的成功离不开霍格、林德格伦和佩⾥曼的贡献,他们堪称盖亚三杰:霍格推动了天体测量领域向空间发展,林德格伦提出了精致的天体测量解算⽅案,展现了⼀位理论家的⻛采,⽽佩⾥曼则是⼀位顶级的科学项⽬管理者,将⼀群优秀的欧洲科学家和⼯程师组织起来,在最艰难的90年代有⼒推动GAIA项⽬收敛到最优⽅案上。2022年林德格伦和佩⾥曼因为在依巴⾕和盖亚项⽬中的卓越贡献⽽获得了邵逸夫天⽂学奖。
使⽤Gaia数据开展研究的天⽂学家中吃货似乎尤其多。最为著名的莫过于天⽂⻤才、剑桥⼤学的俄裔天⽂学家别洛库洛夫(Vasily Berokurov)。2018年,他利⽤盖亚数据发现⼀些太阳附近典型的年⽼晕族恒星的三维速度分布⾮常奇怪,呈现出⼀个⻓棒状结构,完全不像盘族恒星在三维速度空间中呈现的球状分布。于是他将这个⻓棒状结构命名为“盖亚⾹肠”(Gaia-Sausage),⼀度⻛靡全球。
这个盖亚⾹肠实际上是⼀个被银河系吞到肚⼦⾥的矮星系的残骸,对银河系来说也确实是个美味的星系⾹肠。
与他差不多同时期发现这个星系残骸的阿根廷裔荷兰天⽂学家希勒⽶教授(Amina Helmi)则⽤希腊神话中天神乌拉诺斯和⼤地⼥神盖亚之⼦恩克拉多斯来命名,称之为“盖亚-恩克拉多斯”(Gaia-Enceladus),然⽽传播效果并不如“盖亚⾹肠”,相⽐于这个拗⼝的拉丁名字,还是⾹肠叫起来⾊⾹味俱全。
盖亚⾹肠的发现证实了银河系早期确实如很多河外星系⼀样,经历了剧烈的并合过程。今天的宇宙学模型普遍认为,⼤星系往往通过吞噬其它星系这种野蛮激烈的⽅式成⻓。盖亚卫星让天⽂学家们第⼀次真真切切地看到这个过程就发⽣在我们身边。看起来浪漫优雅的银河系,实际上也是“⻝星系族”的⼀员。
另⼀位“吃货”天⽂学家掀起了更⼤的热潮。巴塞罗那⼤学的⻄班⽛⼥天⽂学家安多哈(Teresa Antoja)也在2018年展示了⼀个螺旋结构,这个结构不像盖亚⾹肠那么明显,⽽是隐藏在恒星运动轨道的相空间中。上海交通⼤学的李兆⾀副教授后来形象的称其为“蜗⽜”。你看,⼜是⼀道美⻝!
这⼀发现顿时引起了全球吃货天⽂学家追捧。
⽆论是英国、美国、澳⼤利亚还是中国,天⽂学家们⾸先⽤各种不同的观测数据验证了这个蜗⽜是真实存在的结构。在⼀系列密集发表的⼯作中,⼈们普遍认为它是因为⼤约数亿年以前⼀个矮星系穿越了银河系⽽带来的巨⼤动⼒学扰动。就在银河系遭受到宇宙最为激烈的星系级袭击的同时,处于星系边疆的⼩⼩太阳系内,地球上正处于⽣物⼤爆发的寒武纪和恐⻰称霸的侏罗纪时代,⼀切是那么的欣欣向荣。
虽然没有彻底破坏银河系的结构,但在银河系美丽的恒星盘上还是掀起了⼀场猛烈⻛暴,并重新塑造了银盘的形状。这⼀发现再⼀次证明,星系的⼀⽣是狂暴的——要么把同类吃掉,要么被同类攻击,妥妥的⿊暗森林再现。
当然,天⽂学家不能仅仅是吃货和酒徒。很多天⽂学家还有很⼤脑洞。例如,有⼈尝试⽤盖亚卫星观测遥远的类星体,并试图利⽤盖亚卫星数据解决宇宙学的重⼤问题。有⼈则从处理不好的盖亚卫星次品数据中挖掘出很多有意思的双星,不少可能携带着⼀个致密的伴星,⾮常有可能是⼀些恒星级⿊洞。
经过三⼗年的建设和近⼗年的运⾏,如今全世界的天⽂学家已经发表了近4000篇盖亚卫星相关的论⽂。银河系和恒星的研究正在以⾁眼可⻅的速度发⽣着重⼤变⾰。这⼀切归功于盖亚卫星和它的三代团队。
每次登录到欧洲空间局的盖亚卫星数据处理和分析团队(DPAC)⽹站上,我总是忍不住进⼊“People”⻚⾯,那⾥按照字⺟顺序列出了所有盖亚卫星的建设者的名字、照⽚和经历,我也有幸在其中。它让我回到了⼗多年前,回到了⼀起⼯作过的同事们身边,为盖亚卫星取得的成功,更为同这么多优秀的欧洲天⽂学家⼀同⼯作过,⽽深感⾃豪。
今天,中国的天⽂学家联⼿⼯程师们,也在建造中国的空间巡天望远镜(CSST)(看看这台有史以来中国天⽂学界获得的最贵、最先进的观测仪器)。希望我们能够从盖亚卫星的经历中学习和成⻓,让未来的中国天⽂学家们也能为我们今天的努⼒⽽感到骄傲。