星震、化學成分……蓋亞望遠鏡高精度揭示銀河系近20億天體新細節(jié)

6月13日，成為了令全球所有天文學家和天文愛好者們心潮澎湃的一天。當天，歐洲航天局(European Aviation Safety Agency，ESA)發(fā)布了蓋亞(Gaia)望遠鏡的第三個完整觀測數(shù)據(jù)集(DR3) ，這是迄今為止人類對于銀河系的最詳細的調(diào)查數(shù)據(jù)，揭示了銀河系中近20億個天體的位置、速度、化學成分等新的細節(jié)。這些宇宙級的寶藏將為人類提供給對恒星、太陽系、銀河系和更廣闊的宇宙鄰居的新見解。

在對這些數(shù)據(jù)的初步分析中，天文學家還發(fā)現(xiàn)了銀河系中恒星的“星震”、恒星的“DNA”和不對稱運動等頗有意思的新情況。

蓋亞望遠鏡于2013年發(fā)射升空，是歐洲航空局(ESA)主導的天體測量衛(wèi)星。它的任務是通過測量銀河系中天體的精確位置、距離和速度，創(chuàng)造出最準確、最完整的銀河系多維地圖。這項工作將使得天文學家能夠重建銀河系數(shù)十億年來的演變，更好地了解恒星的生命周期，以及人類在宇宙中的位置。

“蓋亞望遠鏡數(shù)據(jù)集的深遠意義, 是它將會為未來的恒星和天體物理研究提供一個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫, 而恒星的位置、距離、速度、化學成分等是研究宇宙所有問題的基礎(chǔ)和支撐。”曾參與蓋亞望遠鏡數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)工作、國家天文臺研究員劉超當天接受澎湃新聞(www.thepaper.com)記者采訪時, 對這份最新的數(shù)據(jù)集作出了解讀, 他說, “它對全球天文學研究的影響, 會在未來10年內(nèi)釋放出來。”

劉超笑稱, “今天數(shù)據(jù)發(fā)布后, 我們團隊已經(jīng)在討論, 能夠用這些數(shù)據(jù)做些什么。”

歐洲宇航局曾在2016年和2018年先后發(fā)布了兩個蓋亞望遠鏡收集的數(shù)據(jù)集(DR1和DR2)，2020年12月又發(fā)布了第三組數(shù)據(jù)的初版?！吧w亞望遠鏡的數(shù)據(jù)主要包括三個方面,”劉超向澎湃新聞介紹,“一是天體位置的測量, 二是通過繪制天體的顏色確定天體溫度、質(zhì)量等參數(shù), 三是天體的光譜學觀測?！眲⒊敃r參與的, 即是天體顏色繪制軟件的開發(fā)項目。

“蓋亞望遠鏡提供了對銀河系的最精準的觀測數(shù)據(jù), 此前發(fā)布的兩個數(shù)據(jù)集, 對于恒星和銀河系的研究, 都產(chǎn)生了顛覆性的影響?！眲⒊f。例如, 此前DR2曾印證, 銀河系歷史上曾經(jīng)和其它星系有過3次相撞，其中一次相撞形成了太陽。

據(jù)歐洲航空局介紹，此次公布的蓋亞望遠鏡DR3數(shù)據(jù)收集于2014年7月25日至2017年5月28日。目錄中包含了銀河系近20億個天體新的信息，包括其化學成分、溫度、顏色、質(zhì)量、年齡以及恒星靠近或遠離我們的速度，這些信息大多通過光譜學揭示。數(shù)據(jù)集還列出了一些特殊的恒星子集，例如一些隨著時間變化亮度的恒星。此外，該數(shù)據(jù)集還包含了迄今為止最大的銀河系雙星目錄，數(shù)以千計的太陽系天體，如小行星和行星的衛(wèi)星，以及銀河系外的數(shù)百萬個星系和類星體。

DR3也包括了18億顆銀河系恒星的數(shù)據(jù)，為天文學家提供了前所未有的恒星特征及其生命周期的視圖，以及星系的結(jié)構(gòu)和演化信息。

奇妙的恒星: “星震”以及恒星“DNA”

在關(guān)于恒星的最新數(shù)據(jù)中，最讓天文學家們驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)蓋亞望遠鏡探測到了星震(恒星表面的微小運動)，這些星震會改變恒星的形狀。

此前，蓋亞望遠鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了導致恒星周期性膨脹和收縮的徑向振蕩，恒星在發(fā)生這些徑向震蕩的同時保持其球形形狀。但此次蓋亞望遠鏡在數(shù)千顆恒星中，發(fā)現(xiàn)了此前很少被探測到的、強烈的非徑向振蕩，這些振動更像是大規(guī)模海嘯，會改變恒星的整體形狀，通常很難被探測到。

“星震教給了我們很多關(guān)于恒星的知識，尤其是它們的內(nèi)部工作原理。蓋亞正在為大質(zhì)量恒星的‘星震學’開鑿了一座金礦，”蓋亞合作組織的成員、比利時魯汶大學的康尼·阿爾茨(Conny Aerts)表示。

此外, 通過揭示恒星的化學成分, 蓋亞望遠鏡的數(shù)據(jù)集還提供了恒星的DNA。

“恒星是由什么組成，可以告訴我們它們的誕生地和其后的旅程，因此也可以告訴我們銀河系的歷史。根據(jù)今天發(fā)布的數(shù)據(jù)，蓋亞描繪出了迄今為止最大的與3D運動相結(jié)合的星系化學地圖，它覆蓋了從我們的太陽系鄰居到銀河系周圍較小的星系的范圍?！睔W洲宇航局介紹說。

而據(jù)劉超向澎湃新聞介紹, 一些恒星比其他恒星含有更多的“重金屬”。宇宙大爆炸時形成了輕元素(氫和氦) ，其它較重的元素——天文學家稱之為金屬——會在恒星內(nèi)部形成。當恒星消亡時，它們會將這些金屬釋放到恒星之間的氣體和塵埃中，這些氣體和塵埃被稱為星際介質(zhì)，而這些星際介質(zhì)會孕育出新的恒星。活躍恒星的形成和死亡將導致一個更富金屬的環(huán)境。

歐洲宇航局表示，“通過蓋亞，我們能夠看到在銀河系中一些恒星是由原始物質(zhì)組成，而其它恒星例如太陽卻是由前幾代恒星死亡后留下的豐富的物質(zhì)組成。離銀河系中心較近的恒星比距離較遠的恒星金屬含量更豐富。蓋亞還根據(jù)恒星的化學成分，確定了那些最初起源于其他星系的恒星。

“我們的星系是一個美麗的大熔爐，”蓋亞合作組織的成員、法國蔚藍天文臺(Observatoire de la C?te d’azur)的亞歷漢德拉·雷西奧-布蘭科(Alejandra Recio-Blanco)在表示 ,“這種多樣性極其重要，因為它告訴我們銀河系形成的故事。它揭示了銀河系內(nèi)的遷移過程和對外部星系的吸積過程?！?/p>

探索多維度的銀河系

據(jù)另一位天文學向澎湃新聞介紹，此次蓋亞望遠鏡的DR3激動人心的內(nèi)容還包括，它提供了有史以來最大的低分辨率光譜學調(diào)查——這些觀測覆蓋了光學到近紅外波長范圍[330, 1050]nm，對應于大約2.2億個來源; 包括了3300萬顆恒星的徑向速度，這個數(shù)量比DR 2的恒星數(shù)量增加了5倍，恒星研究和星系動力學能夠利用這些數(shù)據(jù)做更多的工作; 包含了迄今為止最大的銀河系雙星目錄，展示了超過80萬個雙星系統(tǒng)的質(zhì)量和演化，這對理解恒星的演化至關(guān)重要; 還揭示了關(guān)于1000萬顆變星的信息，即那些隨著時間的推移而改變亮度的恒星、太陽系物體(如小行星和行星衛(wèi)星)以及銀河系外的星系和類星體，使得變星的統(tǒng)計和分類有了更大的樣本。

在當天，歐洲宇航局還公布了利用蓋亞望遠鏡DR3繪制的天象圖片，從多個維度展現(xiàn)了令人贊嘆驚訝的銀河系全景。

1. 徑向速度

在這幅徑向速度圖中, DR3向我們展示了銀河系中超過3000萬個天體(大部分是恒星)靠近或遠離我們的速度。這被稱為“徑向速度”。

劉超向澎湃新聞解釋說，通過明亮區(qū)域(遠離我們)和黑暗區(qū)域(靠近我們)的交替沿著視線的投射, 我們可以看到圓盤的旋轉(zhuǎn)。通過對比，我們可以看到若干天體的徑向速度與其周圍環(huán)境的徑向速度不同，也可以看到這些物體如何在銀河系圓盤中移動，以及太陽在銀河系中的運動軌跡。

圖中，銀河系的兩個伴星系大麥哲倫云和小麥哲倫云(LMC和SMC)在圖片的右下角以亮點的形式出現(xiàn)，人馬座矮星系可見為銀河中心下方的一條微弱的準垂直條紋，幾個球狀星團以小點的形式出現(xiàn)。

2. 徑向速度和固有運動

這張?zhí)煜髨D顯示了銀河系2600萬顆恒星的速度場。顏色顯示了恒星沿視線的視向速度。藍色顯示的是天空中恒星的平均運動朝向我們的區(qū)域，紅色顯示的是恒星的平均運動遠離我們的區(qū)域。圖中可見的線條描繪出了恒星投射在天空中的運動(自身運動)。這些線顯示了恒星速度的方向如何隨銀河系的緯度和經(jīng)度而變化。在這幅圖中，大麥哲倫星云和小麥哲倫星云(LMC和SMC)是不可見的，因為只有距離明確的恒星才被選中來制作這幅圖像。

3. 星際塵埃

蓋亞望遠鏡不僅繪制了我們星系中的恒星，還告訴我們恒星之間有什么。恒星之間的空間充滿了塵埃和氣體云，這被稱為星際介質(zhì)，恒星就是從其中誕生。通過精確測量恒星的位置和它們的散射光，蓋亞讓我們能夠繪制出星際介質(zhì)對星光的吸收，從而讓我們了解恒星、星系形成的物理機制，以及銀河系的歷史。

這張?zhí)煜髨D顯示了布滿銀河系的星際塵埃。在這張圖中，銀河面中心黑色的黑暗區(qū)域是有大量星際塵埃的區(qū)域，隨著塵埃數(shù)量的減少而逐漸變成黃色。銀河面上方和下方的深藍色區(qū)域是幾乎沒有塵埃的區(qū)域。

4. 化學成分

恒星的化學成分能夠揭示恒星的誕生地和隨后的旅程，因此也可以告訴我們銀河系的歷史。通過蓋亞的觀測數(shù)據(jù)，我們看到銀河系中的一些恒星是由原始物質(zhì)組成的，而像太陽這樣的其它恒星是由前幾代恒星遺留的豐富物質(zhì)組成。離銀河系中心和面較近的恒星比距離較遠的恒星金屬含量更豐富。

這張全天圖顯示了銀河系恒星的化學樣本，劉超向澎湃新聞介紹說，中間的一條薄薄的紅線顯示了銀河系的銀盤。顏色表示恒星的金屬豐度，越紅的恒星金屬含量越豐富。此外, 這張圖也顯示出了不對稱的結(jié)構(gòu)，其中的奧秘留待未來天文學家的進一步探索。