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参透银河系前世今生 盖亚探测器数据刷新星系演化认知

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发表于 2019-1-26 13:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 zhangms 于 2019-1-26 13:39 编辑

来源   科学网
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/1/422449.shtm

作者:任芳言 来源:中国科学报  发布时间:2019/1/25

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来自盖亚的数据将带领人们进一步探索银河系的形成与演化。图片来源:ESA/Gaia/DPAC

■本报见习记者 任芳言

去年4月,天文学家迎来了一场“双十一”。来自欧洲空间局(ESA)盖亚项目组的第二批天文卫星数据正式发布,包括了数十亿颗恒星的精确距离、位置和亮度。可谓有史以来最全面、最详细的数据“礼包”。数据发布后,下载网页访问量激增,甚至一度出现了服务器拥堵。

如今这场狂欢还在持续,来自世界各地研究者的“买家秀”纷纷涌现,其中不乏许多有趣又极具意义的研究成果:有人发现了3亿~5亿年前一个系外星系如何与银河系擦肩而过,产生的引力扰动至今还未完全消失;有的天文学家研究了100亿年前,银河系如何吞噬另一个星系,将其吸收为自身的一部分……

“我们先前对银河系的认知正在改变。”英国剑桥大学天文学家Vasily Belokurov这样评价盖亚带来的影响。

盖亚标准

作为众多恒星中的一员,太阳系坐落在银河系非常边缘的位置,在这里观察横亘夜空的巨大恒星带,天文学家需要绘制出银河系的结构。

在20世纪中叶,人们曾绘制出这样一幅辽阔的图像,并指出银河系中央的凸起处分布着许多恒星,周围是稀薄的光晕。之后,研究人员从暗物质、气体和尘埃入手,推断出这样的结构如何在数十亿年间形成:那些可见的部分塌缩成一个盘状结构,吞噬较小的星系后膨胀。天文学家用望远镜反复拍摄整个星空,补充了不少细节,但也只能得到恒星静止的位置和亮度。

由于地球存在大气层等因素,基于地面的观测很难知道恒星在三维空间里是如何运动的。于2000年获批并在2013年飞向太空的探测器盖亚旨在解决这些问题,并计划带回银河系中10亿颗恒星的距离和运动参数,这当中约有99.99%的恒星从未被精确测定过。

中科院上海天文台研究员Martin·C·Smith给《中国科学报》打了个比方:“这就像我们先前的研究是依据静止的图像,而盖亚提供的数据把这些静态的图像变成了一部信息量超大的3D电影。我们能更直观地了解恒星在太空中是怎样运动的,以及知道它们到底离我们有多远。”

与ESA先前发射的依巴古(Hipparcos)卫星相比,盖亚精度更高,也更敏感,能探测到银河系中较暗的恒星甚至银河系外的天体。“这些观测数据体量非常庞大,超过了目前人类对银河系恒星观测的总量。”中国科学院国家天文台研究员刘超告诉《中国科学报》,他此前曾参与过盖亚项目中恒星物理参数的提取工作。

若想获得星系中恒星的绝对坐标,得先建立精确的坐标网格。“盖亚项目建立了这样一个天体测量的参考框架,就像是给了研究者一把尺子,这样就能测量出恒星的绝对位置。”刘超表示。

盖亚的贡献不止于此。10亿颗恒星的位置、距离和速度等参数能建立起一个银河系的动态模型,有了如此多的样本,人们对银河系怎样运动、演化也会有更清晰的认知。

银河系考古

去年4月第二批数据一发布,就有科学家整理了盖亚探测器上天以来的所有观测记录,复原出迄今为止最完整、详细的银河系及邻近星系的“地图”。

当然,这些数据带来了更多令人激动的研究结果。不少研究团队在拿到数据后都在加班加点,对数据进行梳理和分析。荷兰格罗宁根大学卡普田天文研究所的天文学家Amina Helmi和同事也不例外。

银河系可分为内外两个星盘,前者较小较薄,后者更大更厚。关于外盘的形成演化过程,研究者说法不一。去年10月,Helmi等人在《自然》杂志发表的一项研究表明:年轻的银河系曾与另一个巨大星系发生碰撞,并因此产生了巨大的形状变化。

基于盖亚项目公布的700万颗恒星的位置及运动参数,Helmi等人发现其中有相当数量的恒星(约3万颗)在“逆向漂流”,它们的运行轨道跟银河系其他恒星不同。进而发现这些恒星并非银河系“亲生”,研究者将这些星系的家园命名为盖亚—恩克拉多斯(GE)。

GE与银河系重重撞击之后,后者的恒星被冲散,冲击产生的扰动让其内部产生了扭曲,这也是银河系演化成为人们熟知的螺旋形状之前发生的最后一次大碰撞。

还有研究者从盖亚公布的数据中发现了大量恒星运动的速度和方向有异常,进而让银河系发生了变化。不过这些异常发生于大约3亿年前,仿佛是银河系的昨日。

去年9月,西班牙巴塞罗那大学宇宙科学研究所研究员Teresa Antoja与同事在《自然》公布了一项研究。他们发现,在大约几亿年前,银河系曾与一个矮星系“亲密接触”,并因此受到较大的引力干扰。

Antoja等人根据盖亚提供的600万颗恒星的速度及位置数据,发现这一体量较小的星系在路过银河系时撞上了后者的银盘,其引力产生的扰动如同一颗石子投入了池塘,波纹荡漾的影响持续至今。

空间探测新时代

基于盖亚项目提供的观测数据,这些意义重大的研究能在更短的时间内被发现,而人们先前进行的各项假设,也可以通过银河系中一个个精确的坐标验证正确与否。

预计到2020年,盖亚将发布第三批探测数据。不过这并不意味着此前基于地面的天文观测没了用武之地。

“盖亚的数据并不能解答一切,比如恒星究竟是在向地球飞来还是远去、恒星的化学成分是什么,这些要看恒星的光谱才能知道,”Smith表示,“所以我们也需要来自地面的观测数据。”

Helmi与同事的研究就用到了来自美国新墨西哥州阿帕奇天文台的斯隆数字巡天(SDSS)观测数据,确认了那些运动轨迹异于其他恒星的星群拥有类似的化学成分,从而证明其来自银河系外。

盖亚地面的“帮手”还包括光谱学调查,利用位于智利帕瑞纳天文台的极大型光学望远镜,观测到数十万颗恒星的径向速度和化学成分。

同样作出贡献的还有中国的郭守敬望远镜LAMOST,如果说盖亚的强项是提供大量恒星的“绝对坐标”,那么6年前正式投入使用的LAMOST则能提供近千万颗恒星的光谱。太空卫星与地面望远镜的数据相互补充、校验,能进一步加速人类对银河系的探索。

“未来,我们还将把盖亚和LAMOST的数据结合起来,进一步研究银河系星盘的演化过程,搞清楚我们周围的这些恒星源自何处。”Smith表示。

《中国科学报》 (2019-01-25 第3版 国际)



 楼主| 发表于 2019-1-26 13:35 | 显示全部楼层
关于盖亚,再看一篇去年的文章

盖亚探测器创造迄今银河系最丰富的星图,重新定义天文学基础

2018-04-29  |  博科园 原创

欧空局的盖亚(Gaia)任务已经产生了迄今为止最丰富的恒星目录,包括对近17亿颗恒星的高精度测量,以及揭示了我们银河系前所未见的细节。人们期待已久的消息发布后,大量的新发现正在地平线上,这是基于22个月的图表。新的数据包括了超过10亿颗恒星的位置、距离指标和运动,以及我们太阳系和银河系之外的恒星的高精度测量。对这一现象的初步分析揭示了银河系恒星的构成以及恒星运动的细节,以及研究我们的星系的形成和演化的基本信息。



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盖亚对我们银河系和邻近星系的全天空观测,基于近17亿颗恒星的测量,这张图显示了2014年7月至2016年5月期间,欧空局卫星观测到的星空的亮度和颜色,更明亮的区域表示密度更大的恒星,尤其是明亮的恒星,而较暗的区域对应的是天空中观测不到明亮恒星的区域。图片:Gaia数据处理与分析联盟(DPAC)

欧洲航天局的科学主任冈瑟·哈辛格说:盖亚所收集的观测结果正在重新定义天文学的基础。盖亚是一个雄心勃勃的任务,它依赖于巨大的人类协作来理解大量高度复杂的数据。它表明需要长期项目来保证空间科学和技术方面的进展,并在未来几十年执行更大胆的科学任务。盖亚(Gaia)于2013年12月成立,次年开始进行科学运营。第一个数据发布,基于一年多的观察结果,于2016年发布,它包含了200万颗恒星的距离和运动。

新发布的数据涵盖了2014年7月25日至2016年5月23日之间的这段时间,将近17亿颗恒星的位置确定下来,而且精确度要高得多。对一些最亮的恒星来说,精确的水平相当于地球上的观察者能够发现月球表面的一枚欧元硬币。通过这些精确的测量,我们有可能将恒星的视差和地球每年绕太阳运行轨道的变化——从它们在银河系的真实运动中——分离出来。新目录列出了超过13亿颗恒星的视差和速度,或适当的运动。从最精确的视差测量中,天文学家可以直接估计到单个恒星的距离。



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盖亚对我们银河系和邻近星系的全天空观测。地图显示了恒星的总亮度和颜色(顶部),恒星的总密度(中间)和填充星系的星际尘埃(底部)。这些图像是基于在2014年7月至2016年5月期间,ESA卫星在天空的每个部分所进行的观测,该卫星于2018年4月25日作为Gaia第二次数据发布的一部分发表。图片:Gaia数据处理与分析联盟(DPAC)

荷兰莱顿大学的安东尼布朗说:第二次盖亚(Gaia)数据的发布代表了ESA的Hipparcos卫星,Gaia的前身,以及近30年前对118000颗恒星进行的第一次太空任务的巨大飞跃。安东尼是Gaia数据处理和分析联盟执行官的主席,负责监督约450名科学家和软件工程师的大规模合作,他们负责从卫星数据中创建Gaia目录。单单是星星的数量,加上它们的位置和动作,就足以让盖亚的新产品目录变得相当惊人。但还有更多,这个独一无二的科学目录包含了许多其他的数据类型,包括关于恒星和其他天体的属性的信息,使得这个版本真正的与众不同。

综合数据集为天文学社区提供了广泛的主题。除了位置,数据还包括所有被测恒星的亮度信息和几乎所有的颜色测量,以及关于50万变星的亮度和颜色如何随时间变化的信息。它还包含了沿视线方向的速度,这是七百万颗恒星的一部分,表面温度约为一亿,星际尘埃对8700万的影响。盖亚还观察了我们太阳系中的天体:第二次数据释放包括超过14000个已知小行星的位置,这使得它们的轨道能够精确的确定。一个更大的小行星样本将被编译在盖亚的未来版本中。在更远的地方,盖亚关闭了50万颗遥远类星体的位置,明亮的星系以其核心的超大质量黑洞的活动为动力。



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这些源被用来为Gaia目录中所有物体的天体坐标定义一个参考系,这是在无线电波中经常做的,但现在第一次也可以在可见光波段。一旦科学家开始探索盖亚的新版本,预计会有重大发现。由数据联盟进行的验证目录质量的初步检查已经揭示了一些有希望的惊喜——包括对恒星演化的新见解。自于意大利的纳扎伊纳尔迪·阿特拉诺瓦(INAF),以及数据处理联盟执行委员会副主席,意大利帕多瓦的天文台安东尼拉·瓦莱纳里说:新的盖亚数据非常强大,令人兴奋的结果就在我们的手中。例如,我们已经建立了最详细的赫茨伯朗格-罗素的星图,在整个天空中,我们已经发现了一些有趣的趋势。这感觉就像我们正在开创银河考古学的新纪元。



Hertzsprung-Russell图以二十世纪初设计它的两位天文学家命名,比较了恒星的内在亮度和它们的颜色,是研究恒星数量及其演化的基本工具。这张图的新版本,基于从Gaia目录中挑选出的离太阳5000光年的400万颗恒星,首次揭示了许多细微的细节。这包括不同类型的白矮星的特征——像我们的太阳这样的恒星的死亡残骸——这样就可以在富含氢的内核和由氦主导的恒星之间进行分化。结合盖亚测量的恒星速度,该图表使天文学家能够区分不同年龄的不同恒星的不同年龄恒星,它们位于银河系的不同区域,如圆盘和光晕,并以不同的方式形成。


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进一步的研究表明,那些被认为属于“光环”的快速移动的恒星,包括两个不同的恒星群,它们来自于两个不同的形成场景,并要求进行更详细的研究调查。欧空局的盖亚项目科学家蒂莫·普鲁斯蒂说:盖亚将极大地促进我们对宇宙所有宇宙尺度的理解。即使是在我们认为我们最了解的地区——太阳附近,盖亚也展现出了新的、令人兴奋的特征。3D星系:对于在几千光年的太阳范围内的恒星的一个子集,盖亚测量了所有三维空间的速度,揭示了以类似速度环绕星系的恒星运动的模式。未来的研究将确定是否这些模式都与扰动产生,一个密集恒星密度与一个细长的形状在星系的中心,通过银河系的旋臂结构或与较小的星系合并几十亿年前。

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在盖亚的精确计算中,也可以看到一些球状星团中恒星的运动——古老的恒星系统被引力束缚在一起,在银河系的光晕中被发现——在我们的邻近星系中,小而大的麦哲伦星云。盖亚的数据被用来获得75个球状星团和12的轨道围绕银河系的矮星系,提供重要的信息来研究过去我们星系的演化及其环境,在起作用的引力,和难以捉摸的渗透到星系的暗物质的分布。欧洲航天局的盖亚任务经理Fred Jansen说:盖亚是最优秀的天文学仪器之一。科学家们将会为这一数据忙碌多年,准备好惊讶于将解开我们银河系秘密的大量发现!

博科园-科学科普|参考期刊文献:Astronomy & Astrophysics|来自:欧洲空间局(ESA)
文章出处:百度知道日报(https://zhidao.baidu.com/daily
原始链接:https://zhidao.baidu.com/daily/view?id=123545



 楼主| 发表于 2019-1-26 14:18 | 显示全部楼层
盖亚探测器(Gaia),由欧洲空间局(ESA)研制,重2吨,耗资20亿英镑。按照计划,“盖亚”号任务将历时5年,在设计上旨在发现数千颗此前未知的天体,包括爆炸的恒星、环绕其他恒星运行的行星以及地球附近的小行星。进入太空之后,“盖亚”号将对银河系内的数百万颗恒星进行精确度空前的观测,用于获取有关暗物质和暗能量的线索。盖亚探测器于2013年12月19日17时12分21秒发射升空。

“盖亚”探测器的优异之处在于其搭载了被称为“十亿像素阵列”的超级相机,被喻为“盖亚之眼”,是欧洲空间局打造的数字成像系统 ,拥有前所未有的观测分辨率 ,科学家试图通过“盖亚”超级相机探测器绘制银河系的三维地图 ,并揭示星系的组成结构、形成以及未来的演化。

光谱仪

“盖亚”上面搭载的光谱仪将会提供每一颗恒星的详细物理特征,并对它们的光度、有效温度、引力以及元素组成进行分析。

“盖亚”号探测器将会每年绕太阳一圈,以便能拍摄到每颗恒星在太空中每个略微不同位置的照片。这样,它就能绘制出整个银河系三维地图。他所携带的仪器还能探测出这些恒星是怎样围绕银河系中心运转的。此外,这台航天器上的精密仪器还可以追踪太阳附近的小行星轨道,并将那些可能会与地球相撞的小行星找出来。

这种大规模的恒星调查活动将会 为我们提供有关银河系的起源、结构和演化的观测数据。与此同时,还会对大量的类星体、河外星系、系外行星以及太阳系内的天体进行观测和测量。

盖亚探测器的任务

1、测量银河系内10亿颗恒星的位置、距离以及运动。
2、寻找运行在地球和太阳之间区域的阿波希利型小行星(Apohele asteroids)。因为该区域总是被强烈的阳光所照射,所以很难用地基的望远镜进行观测监视。
3、探测50万颗遥远的类星体(Quasar)。

深空测量

4、对爱因斯坦广义相对论进行更加精确的测量。

盖亚探测器运行在太阳和地球形成的第二拉格朗日点(L2)所在轨道上。鉴于L2上的热环境非常稳定, 有利于提高望远镜的观测效率,NASA的多颗探测器都被安置在那里。例如对宇宙微波背景辐射进行测量的“威尔金森微波各向异性探测器”、“斯必策红外望远镜”,还有欧空局的“普朗克卫星”等。

 楼主| 发表于 2019-1-26 14:49 | 显示全部楼层
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赫罗图比较了恒星的亮度与颜色之间的关系,是一种研究恒星类型及演化的重要工具。这张图在盖亚探测器公布的第二批数据基础上制作而成,是目前最详细、范围最广的赫罗图。

天文学家可以通过这些恒星的数据解码银河系的形状和历史。第二批数据已经显示银河系包含着两个截然不同的恒星群体,它们的起源可能不同,其运行模式表明它们可能来自于很久以前被银河系吞并的其他星系。

发表于 2019-1-26 15:19 | 显示全部楼层
ESA进行了多个银河系的全面巡天,其中ESO的望远镜也做了不少贡献
发表于 2019-1-27 21:43 | 显示全部楼层
《广袤宇宙探秘》出版社------中国原子能出版社,本书为宇宙新说系列书之一,探索广袤宇宙的秘密是我多年来的夙愿。而本书的上册书名为《宇宙新说》。作者------胡世友
 楼主| 发表于 2019-1-30 09:16 | 显示全部楼层
近些年来,我国在银河系方面所做的工作也是很积极的,通过 LAMOST大规模恒星光谱巡天,重新确定了银河系结构,估算了太阳邻域暗物质密度。对寻找暗物质粒子、理解暗物质在银河系中分布具有重要意义。同时利用毫米波射电镜开展“银河画卷”巡天,通过追踪CO分子谱线,对银河系外旋臂有了新的认识,发现了大量新的分子云。

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