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空間天體測量的里程碑項目Gaia巡天——上海天文臺的參與和貢獻
2018-04-27 | 編輯: | 【】【打印】【關閉

  歐空局蓋亞(Gaia)空間天體測量衛星項目于北京時間201842518:00發布了第二批科學數據(Gaia DR2),迅速引起了近乎整個天文學界的關注。基于新發布的數據,天文學家有望在銀河系和太陽系的結構、形成與演化、恒星物理乃至宇宙學和基本物理學等領域獲取突破性的結果。作為參與Gaia項目國際合作的亞洲唯一單位,中國科學院上海天文臺提出方案并編制了歸算軟件,利用獨創的同時性較差觀測的原理獨立校驗,基于Gaia實測的數據解算衛星基本角的變化,與其它監測結果交叉比對,從而核實并獨立獲得基本角變化,為Gaia最終的科學數據的修正提供重要的基準。 

  Gaia簡介 

  Gaia衛星,堪稱全新一代空間天體測量衛星,旨在精確觀測銀河系內數以億計的恒星,從而實現銀河系三維勘察,解釋銀河系的組成、形成和演化。經過500多名國際科研人員歷時20多年的艱苦研發,Gaia衛星于20131219日成功發射,進入日地拉格朗日L2點附近工作 (參見圖1) 

1.  Gaia衛星的示意圖,在其遮陽帆布上方其有兩個夾角為106.5度的指向鏡,用來測量不同天區天體間的角距離,這種設計獨特設計的目的是為了測量絕對視差。隨著衛星自身轉動和繞太陽運動,最終基于多年觀測數據可解算出這些天體的高精度天體測量參數(赤經、赤緯、絕對視差、自行)。圖片來源:ESA

  相較于依巴谷,Gaia項目可將天體三維位置(從方向和視差信息獲取)和切向速度(從自行數據獲取)測量精度提高了約200倍,等效的角度測量精度達到10微角秒(1角秒等于三千六百分之一角度)水平,如果把依巴谷的測量精度比作從地球能看到月球表面的宇航員高度,那么Gaia的測量精度就相當于從地球能看見月球表面的一枚硬幣尺寸。在觀測目標上,Gaia也提高很多倍,總觀測目標遠超過10億顆天體。有距離精度保證的探測范圍將完全覆蓋整個銀河系。除了此之外,Gaia 還將測量約1.5億顆亮于17星等的恒星的視向速度信息,綜合這些天體的三維位置、三維運動和測光信息將使天文學開啟新篇章。

 

2:左:銀道坐標系下的Gaia dr2 源密度分布圖;右:Gaia DR2的星等分布圖。圖片版權:ESA

  上海天文臺是參與Gaia項目中天體測量工作的亞洲唯一單位 

  中國科學院上海天文臺是參與Gaia項目中天體測量工作的亞洲唯一單位。20132月上海天文臺天體測量團組(當時主要成員:齊朝祥、廖石龍、唐正宏、于涌、趙銘等人)代表上海天文臺與Gaia數據處理中心之一的意大利都靈天文臺簽署了在Gaia天體測量數據處理上的正式合作協議,成為Gaia任務天體測量數據處理核心單元CU3的正式成員,并正式介入歐空局空間項目。 

  據齊朝祥研究員介紹,在Gaia項目前期,雙方針對Gaia衛星天體測量數據處理方法、模型和星表構建等內容進行了多次交流合作。“尤其是針對Gaia數據處理中的常規單天天體測量解算問題,我們提出了對Gaia的單天天體測量數據進行快速解算來實時檢測觀測數據的質量情況的想法,并對不同數據處理模型的解算結果進行了比較,編制了相應的歸算軟件。” 

  Gaia衛星上攜帶了兩個望遠鏡,觀測過程中兩者指向的夾角(基本角)固定維持在106.5度,通過從兩個方向精確測量不同天區天體間的相對位置,可實現天體位置和距離的精確測量。“這一獨特設計的成敗與否,取決于基本角能否穩定住。根據設計,夾角的變化量不能超過4微角秒。”齊朝祥介紹。 

  然而,2014年衛星觀測試運行期間,監測望遠鏡指向的星載激光干涉系統顯示,基本角存在超出預期的突變、長周期變化以及振幅為1毫角秒的6小時短周期變化等棘手問題。如果不解決超預期的基本角變化問題,整個項目將無法實現預期目標,工程將面臨失敗的風險。 

  針對此問題,當時作為雙方共同培養的上海天文臺博士研究生廖石龍(現為上海天文臺助理研究員)在雙方導師的指導下,非常出色地完成了《Gaia 短期天體測量數據的重建與分析》 的博士論文。 

  齊朝祥說:“獨立于歐空局其它單位,我們提出一種方案,基于實測的天體數據,利用獨創的同時性較差觀測的原理獨立校驗,解算衛星基本角的變化,并與衛星攜帶的激光干涉監測系統的結果進行交叉對比,核實并獨立獲得衛星基本角變化的各種周期和振幅數據。而經核實的基本角變化數據是Gaia數據分析處理中心對其最終科學數據進行修正的必備基準數據。目前,我們已經將這套方案編制成相應的處理軟件,在位于意大利都靈的Gaia天體測量數據處理中心運行,默默地為廣大數據用戶提供基準服務。這些工作也獲得了國內天體測量同行的認可和支持,同時獲得了國家自然基金的資助(國家自然基金號:1157305411703065)。 

 

左:衛星基本角探測器檢測到的6小時周期變化;右:上海臺團組任意選取的某天觀測數據得到的6小時周期振幅的天體測量數據驗證結果,橫坐標是同時性觀測選取條件,縱坐標是6小時周期振幅。這與星載激光干涉結果一致性較好。左圖版權:ESA,右圖版權:上海天文臺 

  關于Gaia 第二批數據 

  HIPPARCOSTycho-2星表作為先驗值的第一批數據(于20169月發布)不同的是,本次釋放的Gaia第二批數據完全來源于Gaia2014625日至2016523日期間共668天的觀測數據處理而成。Gaia DR2包含以下內容: 

  1)總計17億顆目標的天球位置和Gaia G星等(G波段星等介于321等之間);這里需注意,星表中天體位置和運動數據的時刻是J2015.5使用的空間參考系是ICRS,而非傳統的J2000.0平赤道參考系和J2000.0位置時刻。 

  2)多于13億顆目標的三角視差(依據視差,可以計算出距離)、自行以及藍/紅測光信息。對于G波段星等亮于15等的天體,視差精度約0.04毫角秒,自行精度約0.06毫角秒/年;對于G波段星等等于17星等的天體,視差精度約0.1毫角秒,自行精度0.2毫角秒/年;對于暗端(G波段星等等于20星等)的天體,視差精度0.7毫角秒,自行精度1.2毫角秒/年; 

  3)多于700萬顆目標的視向速度信息,其中亮端精度達到200-300/秒,暗端精度約為1.2千米/秒; 

  4)天體物理參數:1.61億顆亮于17星等目標的表面溫度信息(3000開爾文至10000開爾文)、8700萬顆目標的消光、紅化信息,7600萬顆目標的半徑和亮度信息; 

  550萬顆變星的光度曲線和分類信息; 

  6)基于150萬次有效觀測數據給出14099個太陽系內天體(主要是小行星)的位置和觀測歷元信息; 

  7)多于50萬顆類星體的位置和Gaia G波段的星等信息,基于這些類星體,Gaia首次創建了光學波段的天球參考架 GCRF (Gaia Celestial Reference Frame) 

  詳細信息可參見https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/dr2 

  科學聯系人: 

  齊朝祥,中國科學院上海天文臺,[email protected] 

  廖石龍,中國科學院上海天文臺,[email protected] 

  新聞聯系人: 

  左文文,中國科學院上海天文臺,[email protected]  

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