盖亚太空望远镜收集了近 20 亿颗恒星的信息。结果是整个观测历史上最丰富的目录和最详细的银河系三维地图。Naked Science 会告诉你为什么这很重要和有趣。

来自盖亚数据的未来 80,000 年内距离太阳 300 光年范围内 40,000 颗恒星的预计运动

大约 18 亿颗恒星、数百万个星系和数万颗小行星是盖亚最近发布的第三次数据发布的简要描述。根据这些数据，项目团队编制了一张覆盖银河系重要部分的三维地图。这是迄今为止最大的恒星目录和最好的银河系 3D 地图。此外，已经确定了数亿颗灯具的年龄、温度、质量和其他参数。甚至很难想象如此丰富的观测资料会带来怎样的发现浪潮。

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Naked Science 已经详细说明了天文学家确定天体距离的重要性。让我们简要回顾一下是怎么回事。只有知道到物体的距离，我们才能计算出它发出的辐射量。否则，粗略地说，您可以将遥远的恒星与附近的灯泡混淆。

用里程碑标记宇宙浩瀚的最可靠方法是视差法。他的想法非常简单。让我们走到路上，把一些远处的物体带离它，例如，一座高大的房子。应该注意它位于我们的哪个方向。现在让我们沿着这条路走一两公里（行驶的距离称为 基础 ）。摩天大楼的方向会改变一些角度，其中一半称为 视差 。知道了基准和视差，我们就可以确定到高层建筑的距离。这是一个三角谜题。

这种方法不需要任何关于天体的假设。它完全依赖于良好的旧几何。为此，科学家们很欣赏他。

但是如果到物体的距离非常大，我们需要在路上走很远，物体的方向才会发生明显的变化。远离地平线上的摩天大楼很容易，但要远离天空中的月亮！正如所有孩子都惊讶地注意到的那样，月亮和太阳“追逐”着我们。正是因为到月球的距离（38 万公里），甚至到太阳的距离（1.5 亿公里），比我们在地球表面的旅行距离大得多。对于许多光年之外的恒星，我们能说些什么呢？

正如您可能猜到的那样，地球上的最大基础是它的直径。不到一万三千公里，以宇宙标准来说，是一个微不足道的值。我们不能仅仅通过地球旅行来看到恒星的视差。

幸运的是，我们的星球本身并没有停滞不前。注意星星的方向。让我们在半年后重复这个观察，届时地球将在轨道的相反点。我们得到一个等于轨道直径的基：3亿公里！

从地球轨道的不同点观察恒星视差的示意图

这是否足以使用视差法确定与恒星的距离？正确答案是“取决于哪颗星”。这里的关键因素是我们的望远镜测量恒星角位移的准确性。比如说，如果我们能够可靠地测量 10 微弧秒的视差，那么我们就可以在 100 秒差距（约 300 光年）内确定到恒星的距离。

几百光年实际上是地面测量的极限。天文学家的永恒敌人——大气层阻碍了实现更高的精度。但银河系的直径是十万光年。事实证明，我们可以制作它的一个小角落的 3D 地图。

但是太空望远镜可以更准确地测量恒星的位置，尤其是专门为此设计的。人类在 1989 年推出 Hipparcos 时首次尝试了这种方法。其测量的典型误差是两微秒的弧度。2013 年，轮到了一位新的空间制图师 - 盖亚（“盖亚”或“盖亚”，如果你记得该设备是以女神的名字命名的）。它更准确 200 倍。在这方面，它可以测量数万光年的距离，堪比银河系的大小。诚然，在极远的地方，盖亚当然只能看到最亮的星星，而不是那里的所有星星。

Hipparcos 和 Gaia 望远镜可用于测量的距离范围，以 M101 星系图像为背景，大小与我们的相似 / © Michael Richmond/NASA，ESA，K. Kuntz (JHU)，F. Bresolin（夏威夷大学）、J. Trauger（喷气推进实验室）、J. Mold (NOAO)、Y.-H. Chu（伊利诺伊大学厄巴纳分校）和 STScI；加拿大-法国-夏威夷望远镜.

钻石中的天空

那么盖亚团队发布了什么？

新目录中总共有 18 亿颗恒星——我们再次重申，这是一个历史记录。对于它们中的每一个，都确定了表观亮度和二维坐标，将发光体与天空中的某个点联系起来。这是对编目有意义的天体信息的最低限度。

其中，对于大约 15 亿颗恒星，颜色以及最重要的是与地球的距离也已确定。因此，这些灯具被绘制在三维地图上。是很多还是很少？只有大约百分之一的银河系恒星人口。但这与依巴谷决定视差的十万颗恒星相比，这也是一个巨大的突破。

这就引出了一个问题，是否可以看一下这张精彩的地图。是和不是。所有数据，包括恒星的三维坐标，都是公开的。但是，当然，以无聊的机器可读文件的形式进行。几乎没有人愿意以图片的形式呈现它们，甚至以 3D 的形式呈现。您真的希望 15 亿个点能以易于消化的分辨率显示在您的设备屏幕上吗？

根据同一目录更好地观察 2600 万颗恒星的运动。顺便说一句，这是谈论运动的一个很好的理由。

根据盖亚的说法，2600 万颗恒星的运动。线条显示自己的运动方向（见下文）。颜色显示径向速度。最接近观察者的恒星被涂成蓝色，而离开它最快的恒星被涂成红色。银河系的旋转在地图上清晰可见.

星星去哪里

对于同样的 15 亿颗恒星，连同距离，自行确定。这是什么？

银河系中的星星不会静止不动。他们每个人都飞到某个地方（至少 - 参与了围绕银河系中心的一般运动）。反过来，太阳也飞到某个地方。正因为如此，当从地球（或从盖亚）观察时，发光体逐渐围绕天球移动。即使我们放弃视差、地轴进动和其他观察者移动恒星的影响，这种运动仍然存在。这就是所谓的恒星 自行运动。

正常运动是二维天球中的运动。要恢复恒星在三维空间中的运动，还需要一个参数。这是 径向速度 ——物体接近或远离观察者的速度。径向速度不能通过测量角度来计算。这需要恒星的光谱和多普勒效应。频谱必须具有非常高的质量。毫不奇怪，盖亚“仅”确定了 3300 万颗恒星的径向速度。对于这些发光体，不仅它们的位置被绘制在三维地图上，而且它们在银河系中的运动也被绘制出来。

但是，低质量的频谱非常有用。它允许您确定质量、温度、年龄和其他特征。这项工作已经为 4.7 亿颗恒星完成。我们还从盖亚那里学到了什么？

公布的数据中还有什么有趣的地方？例如一千万颗变星。以及超过 80 万个双星系统，它们的质量和轨道都已确定。

望远镜帮助探测了数千次星阵，尽管它不是为此而设计的。恒星的震荡很少被观察到，同时它们携带着关于其内部结构的重要信息。令人惊讶的是，在那些根据目前的理论根本不应该发生地震的名人身上也发现了地震活动。这再次证明，我们对恒星的了解仍然比我们想要的要少。

此外，将近 500 万个星系和大约 16 万颗小行星进入了盖亚透镜（顺便说一句，她有两个）。对于银河制图师来说，这是一个副产品，但其他天文学领域的同事会感谢他们。

请注意，盖亚数据的当前部分已经是第三部分。第一个版本（数据版本 1 或 DR1）于 2016 年发布，第二个版本于 2018 年发布。当前 DR3 目录中的恒星数量比 DR2 中的多 1 亿颗。此外，由于观测次数更多，视差确定的准确度提高了一倍。

顺便说一句，DR3 的初步版本是在 2020 年底发布的。它已经有二维坐标、视差和自行，但没有光谱观测。

顺便说一句，盖亚目前绘制银河系的能力还远远没有达到极限。她在测量距离方面的成功源于角度测量的准确性，而不是基础的长度。盖亚距离太阳仅比地球远 1%。为什么它没有被发射到更长的轨道上？首先，因为这个轨道器向地球传输的数据量比任何行星际探测器都要多得多。从远处看，这将更加困难。此外，很明显“盖亚”确定了她所能看到的几乎所有恒星的视差（15 亿对 1.8）。也就是说，该项目的可能性不受基础长度的限制，而是受望远镜灵敏度的限制。因此，在地球和火星之间的某个地方发射太空观测站没有多大意义：这将是麻烦多于好处。但技术在发展 在可预见的未来，我们可能会看到更灵敏的望远镜和更高效的通信系统。在这种情况下，下一代空间制图师很可能会被发射到更大半径的轨道上。因此，它们将为我们提供更令人印象深刻的银河地图。