【代号名称】“宇宙梦想”计划 【规范称呼】“外星地球影像师”计划 【英文名称】Cosmic Dreams Plan 【密级】公开 【发起者】欧洲宇航局 【行动时间】2004年初 【目的】对天外类地行星进行观测与拍摄,以寻找外星生命迹象 “宇宙梦想”计划的子行动“大地女神”计划标识 【背景】 地球以外的世界是否存在生命?这是人类共有的好奇心。 要想确定其它行星上是否存在着生命,首先要寻找太阳系外行星系——外星人的栖息地。银河系中约有10亿颗星球,只有那些表面温度适宜的类地行星,才可能是人类这样的高等生物生存的“诺亚方舟”。迄今为止科学家已经发现了150颗系外行星,但由于距离很远,很难直接观察其细节。以前,科学家只是根据恒星运动轨迹出现的跳动,间接地推断附近存在行星。但仅仅停留在“发现行星”这个层面,根本不可能找到可能有生命存在的行星。 2004年初,欧洲宇航局曾向欧洲科学家——不仅是天文学家,还包括生物学家、化学家、植物学家等提出询问,问他们想要欧航局在太空探索中达到什么样的目的,搜寻可能孕育外星生命“第二地球”这一目标赢得了最广泛的支持。 欧航局科学主管大卫·索斯伍德曾雄心勃勃地表示,“这是我们的地盘”。索斯伍德说:“第一个发现围绕另一个恒星运转的行星的科学家就是我们欧洲人。瑞士日内瓦天文台的米歇尔·梅厄和迪德·奎洛兹在1995年10月发现围绕‘飞马座’51运动的,质量与木星相近的天体,揭开了人们发现太阳系外行星的序幕。我们想在这个领域一直保持领先地位,不仅要成为第一个发现太阳系外行星的人,而且要最先发现存在生命的行星。通过这项研究,我们将知道我们是不是银河系中唯一的生命体。” 索斯伍德的话也许能概括欧航局的梦想。“如果在银河系中存在我们的邻居,不管它是和我们一样的人类,还是小如细菌的生物,我们欧洲的科学家将一定能找到他们。” 鉴于此,欧航局及天文学家们顺应大势,研究制定了一项庞大的计划——“外星地球影像师”计划(EEI)。这是一个由1万枚运行在地球轨道上的镜子组成的天文望远镜系统,它强大到可以清晰地观测到数百光年处类地行星的全貌,包括山川、海洋、森林、植被!虽然这种想法难以在短期内兑现,不过初步的光学测试已经开始起步。 为了找到类地行星,在“外星地球影像师”计划的技术成熟前,欧航局先期实施了“宇宙梦想”系列计划。“宇宙梦想”的主要目的就是以现有的技术拍摄数百光年处的类地行星的清晰图片,分析其大气组成,找出适合人类居住的行星。计划的技术难度、规模要逊于“外星地球影像师”计划,其核心是要试图在未来100年内建造出一个由1000片太空镜子组成的庞大天文望远镜系统,对可能存在的外星生命环境进行尽可能直观的探索!它上面有没有山川河流,有没有外星生命,一“望”便知。“宇宙梦想”包括3个富有创意的观测计划: “大地女神”计划(Gaia Plan):观测并绘制3D太空地图。计划源于欧航局的“依巴谷”计划(Hipparcos Plan,1989-1993,“大地女神“之前的探测卫星),于1993年10月由瑞典隆德大学的莱纳特·林德格伦和欧航局的米歇尔·佩里曼,为了响应“地平线”计划(Horizon Plus)加长期科学规划(“地平线2000+”计划,Horizon 2000+ Plus)提议的。欧航局科学计划委员会2000年10月13日通过其作为第6号基础任务,并于2006年2月9日批准了计划的B2阶段。“大地女神”硬件由欧洲航空防务与航天公司旗下的阿斯特里姆公司负责,预算为7.4亿欧元(约10亿美元),包括制造、发射和地面操作。计划绘制出迄今最精确的涵盖整个银河系10亿颗三维恒星分布图,还将通过行星对各自“太阳系”恒星的影响来发现那些肉眼看不见的天外行星。飞行器2010年升空,在太空中进行5年的观测飞行; “达尔文”计划(Darwin Plan):寻找生命痕迹; “超级大地女神”计划(Super Gaia Plan):用超级照相机拍外星人的家。 “宇宙梦想”计划已经启动。计划负责人、法国默东观察站、巴黎天文台的凯瑟琳·图伦博士说:“相对于恒星来说,行星是很微小的天体,它们反射的光只是恒星发出光芒的10亿分之一,在整个银河系中发现一颗行星,就好比去发现1000公里远的灯塔旁边的一支蜡烛那样困难。然而我们却必须从银河系中发现它们的存在。” 艺术家笔下的“大地女神” 【行动经过】 2004年初,欧航局正式启动了“宇宙梦想”系列计划的首个计划——“大地女神”。 “大地女神”观测设备为新一代轨道长波段光学望远镜,欧航局随即投入研制工作。然而好事多磨。2008年,欧航局将发射时间由2010年推迟至2011年,之后再次推迟到2013年10月,可临近之时第三次推迟,改期发射窗口是从2013年12月17日到2014年1月5日。落后计划3年,可初始预算高出16%,原因恰恰出在望远镜——10面镜片抛光、装配和测试焦平面快门照相机系统困难缠身。 根据计划,它将被发射至距离地球约160万公里的第二个“拉格朗日点”上(又称为“动平衡点”,它是两个大天体所形成相对运动系统中的受力平衡点,按照法国数学家拉格朗日的推论,拉格朗日点共有5个)。选择这样一个落脚点,是因为在这个位置上有地球遮挡,望远镜不受太阳光线辐射,引力和热环境非常稳定。它使用利萨如轨道,避免地球遮蔽太阳,这将限制太阳能板产生能量,以及干扰航天器的热平衡。为了尽最大可能保护望远镜免受热与光的干扰,科学家们还特地为它安装了一个展开面积达100平方米的防护屏。遮阳板始终面向太阳,从而保持所有望远镜部件冷却和供电。专家们表示,有了该防护屏的保护,就可以让望远镜灵敏的光学系统的温度波动降低到最小。 2013年12月19日上午9点12分,阿丽亚娜空间公司使用联盟代理/“护卫”MT火箭飞离法属圭亚纳库鲁航天中心,“大地女神”终于发射,43分钟后脱离火箭。 2014年1月8日,飞船到达位于地球约150万公里的“拉格朗日”L2点。 2015年,“泛星”计划(Pan-STARRS)天文台发现的物体绕地球,它就是“大地女神”飞船。 “大地女神”轨迹和轨道的简化图(不按比例) 目标:
任务:
由于航天器的旋转,图像以每秒60弧秒的速度从右向左穿过焦点阵列。来自反射镜M3的入射光来自反射镜M'3的入射光焦平面,包含用浅蓝色表示的天文测量仪器的探测器,以深蓝色表示的蓝色光度计,以红色表示的红色光度计以及以粉红色表示的径向速度光谱仪。 没有10米直径遮阳罩的“大地女神”反射镜图
1、光学台(碳化硅环面);2、冷却散热器;3、焦平面电子装置;4、氮气罐;5、衍射光栅分光镜;6、液体推进剂罐;7、星形跟踪器;8、电信面板和电池;9、主推进子系统。 望远镜1光路在焦平面与仪器设计 飞船的旋转,图像在60弧秒每秒交叉的焦点所在阵列右至左。 “大地女神”有效载荷包括主要仪器:
VST将“大地女神”带到10亿颗恒星 发射后不久,欧空局发现“大地女神”患有散光的问题。最初被认为是由于冰层造成一些光衍射在遮阳的边缘进入望远镜的孔径要体现对焦平面。杂散光的实际来源实际是遮阳纤维突出的边缘。这样的结果将“弱化”性能,将微弱、相对温和地限制“大地女神”。缓解的方案正在实施中。 为了保持精确指向聚焦在许多光年之外的恒星,部件几乎不能移动。子系统安装在刚性碳化硅框架上,提供稳定的结构,不会由于温度而变形。姿态控制由小型冷气推进器提供,每秒输出1.5微克氮气。 与卫星的遥测链路平均约为兆比特/秒,而焦平面的总内容则代表Gbit/s。因此,每个对象周围只有几十个像素可以下传。 检测和校准阶段,开始时“大地女神”途中L2点,一直持续到2014年7月底,3个月内计划遇到杂光进入探测器不可预见的问题。6个月的调试期后,卫星开始使用一个特殊的扫描方式科学地操作,扫描附近的区域集中在7月25日黄道极点;8月21日开始使用正常的扫描模式,提供更加均匀的覆盖。 虽然最初计划限制观察亮度高于5.7级,在调试过程中发现,测试“大地女神”能自动识别3级明亮的星星。7月,“大地女神”进入正规的科学运作,它被配置为常规工艺的星星在幅度范围3-20。超越极限,特别程序是用来对其余230星比3级光明下载原始扫描数据;减少方法和分析这些数据的开发;并预计将有“完整的天空覆盖在明亮的结束”和“几十µ“标准误差。 9月12日,“大地女神”发现的第一个超新星在另一个星系。2015年7月3日,基于从航天器数据绘制的银河系恒星密度地图发布。2016年8月,“500亿多个焦平面测光观测凌日,1100亿和94亿的光谱观测已成功处理。” 在标称的5年任务期间,地面站将以1兆/秒的压缩速率从航天器获取总量约为60TB的数据,存储在隐藏的互联网中的实际可用未压缩数据量约为200TB数据库。由欧空局部分资助的数据处理责任委托给一个欧洲财团数据处理和分析联合会,该联合会在其提交给欧空局2006年11月公布的机会公告后选定,资金来源由参与国承担,直到2020年“大地女神”最终目录的制作完成。 “大地女神”以约5兆/秒的速度发回数据,每天约为8小时。欧航局在西班牙的塞夫雷罗斯、阿根廷马拉格和澳大利亚新诺舍的伊斯特拉克网络的3个直径35米射电望远镜接收数据。 恒星密度的天空地图 “大地女神”目录被分阶段发布,将包含越来越多的信息;早期的版本也会错过一些恒星,尤其是位于密集星场的昏暗星体。 截至2015年9月的14个月观测资料,“大地女神”首次数据发布DR1发布于2016年9月14日,在天文学和天体物理学出版的一系列文章中有所描述。公布的数据包括:基于“大地女神”和“第谷”-2数据为这两个目录中的这些物体组合使用的仅有“大地女神”数据;位置、视差和超过200万颗恒星的适当运动的位置和......大小;“约3000个变星的光线曲线和特征;以及2000多个位置和大小......用于定义天体参考系的河外源”。来自DR1版本的数据可以通过“大地女神”存档以及天文数据中心(如CDS)访问。 第二数据发布(DR2),计划定于2018年4月25日,将基于2014年7月25日到2016年5月23日的22个月之间进行的观测数据。它将包括13亿颗恒星位置、视差和额外的2亿颗恒星,约11亿颗恒星的红色和蓝色光度数据,以及约600万颗恒星的径向速度测量数据。它还将包含数据超过13000太阳能系统对象的选择。 第三数据发布,可能将包括许多双星和分类轨道的解决方案,光谱“规矩”的对象以及改进的位置、视差和适当的运动。 第四数据发布,可能会包括变星的分类,完整的太阳能系统的结果,而非单一的星表。 完成最终的“大地女神”目录目前定于2022年,这是名义上的5年任务结束后的3年。如果任务延长至9年,它将被推回。 DR2和最终版本之间的发行数量尚未确定。 一个外延应用“大地女神的天空”,已经开发利用了星系三维探测数据。 2016年9月14日,欧航局发布了首份由“大地女神”绘制的银河系三维地图。星表中包含了2057050颗恒星及其它天体的三维位置,还有过去20年来它们位置的改变。这份地图最终将包含超过10亿天体,覆盖泛围相比过去扩大1000倍,同时数据的精确度也将提高至少10倍。 与这份地图一同发布的还包括19篇由“大地女神”计划研究组的天文学家撰写的论文。令众多科学家欣喜的是,“大地女神”的数据库是开放的!一些团队已经准备好了“该亚黑客”计划和“该亚冲刺”计划,研究人员将通力合作,尽力挖掘这部“百科全书”中的宝藏。有科学家预计,上百篇相关论文会在短时间内发布。 “大地女神”将对天空进行不断扫描,以获取银河系约10亿颗恒星的坐标、运动方向以及颜色等信息。科学家们还设想,“大地女神”还有可能在其它恒星周围找出约1万颗行星,而且它还有可能发现隐藏在太阳系内部的、科学家们至今未曾认识到的数万个不明天体。 作为开普勒任务搜寻空间图的背景使用的银河星系绘画 【后续】 “大地女神”计划正在行动中,后续的两个行动计划则有些茫然—— 1、“达尔文”计划。 虽然“大地女神”成果光鲜亮丽,然而,只有那些可能孕育生命的行星才是问题关键,这些行星大多处在所在恒星系统的“黄金区”,那的轨道温度既不太热,也不太冷。要发现这些行星的存在,“达尔文”计划必不可少,计划2015年实行,有8艘舰队升空。望远镜可以消除掉中部恒星的图象,只允许它身边的行星以光点的形式出现,然后用分光计对这些光进行分析,就可以揭示这行星的大气层中是否有气体存在。如果大气层中存在氧气、臭氧、甲烷、二氧化碳的混合物,那就意味着那儿可能有生命存在。而这些星球,“大地女神”力不能及。 “达尔文”计划量身定制。然而令人遗憾的是,计划尚未出炉便胎死腹中,至于具体原因,欧航局并未明确说明。 可美国航空航天局计划于2018年发射“陆地行星发现”,用与“达尔文”计划相似的科技寻找外太空中的类地行星的存在。你说气人不? 2、“超级大地女神”计划。 原计划“达尔文”完成后(当然这已经不可能了),另一项太空任务——暂时命名为“超级大地女神”计划将会研究更远太空中的恒星系统,寻找300光年到400光年距离内的类地行星。如果这一系列计划得以顺利实现,找到了可能存在生命的行星,那么以后的任务就是研究这种行星的小环境了。 要完成这种精密的观察任务,可能需要研制类似于“达尔文”计划中的太空探测器,但探测器的数目可能不需要那么多。根据法国教授拉贝里的设想,探测器上将携带约1万个多镜面望远镜,每个望远镜的镜片直径都有3米。这些望远镜合起来的效果将和一个有效孔径100公里的照相机一样,能对类地行星进行非常精确的拍照。用拉贝里的话说,“即使不能直接拍摄到外星人所居住的卧室,也能研究他所居住的星球”。 但由于“达尔文”计划搁浅,“超级大地女神”计划的前途也实在难以乐观。 《野兽的数量》,英国蒂姆·怀特绘 如果这些太空计划果然成功地发现了一个富有希望的类地行星,它上面有类似地球的大气层,那么“外星地球影像师”计划或另一个相似的太空计划将随后合乎逻辑地启动。 “外星地球影像师”计划其实就是“超级大地女神”计划。它们将共同组成一个有效孔径(光圈)达100公里的“太空照相机”———这架“太空照相机”也许还没有精确到能够拍摄“第二地球”上的外星人在浴缸中洗澡,但它却足以清楚地观测到“第二地球”的大致外貌,包括山川海洋、森林植被! 《看谁的人》,英国蒂姆·怀特绘 【关联性】 “宇宙梦想”计划属于太空探索行动计划,自身由3个子行动计划,上文已发,不再赘述。 但“宇宙梦想”计划实际是“外星地球影像师”计划的子行动计划、先导行动。由于此类计划时间跨度很大,随着事态的演进,增加或缩减行动计划的可能性都存在。 “宇宙梦想”计划也是“依巴谷”计划的替代和升级版行动计划,而望远镜是“地平线2000+”计划的一部分。 虽然“达尔文”计划已经取消,但欧航局又收到欧洲科学委员会提交的50项新的任务概念,任务目标与欧航局“宇宙探索2015-2025”计划相应,大多数被提议的任务预计将与世界上其他航天机构合作。“宇宙探索2015-2025”计划包含4个主题:
欧航局还公布了一项新的月球勘探计划,向月球发射机械钻探器,寻找源自地球早期的陨石,这将是人类首次在月球上进行钻探行动。 欧盟也正在“制订并关注其独立的太空探索计划”及了解如何使其与全球航天计划相结合。 尽快发挥“伽利略”卫星导航系统和GMES卫星警戒计划的作用。 总之,欧洲人的想法爆棚,而且都是围绕相似目的的行动计划,只是不知道口袋中的硬通货够不够。——上述众多尚未发布的行动计划,“历史脉动”将逐步发出,敬请及时关注本头条号。 《造访谷神星》,英国蒂姆·怀特绘 【影响】 “大地女神“将改变人类对恒星与银河系的认识。那么她究竟能告诉我们什么?
“大地女神“的银河系运动三维图将揭示恒星在引力作用下的运动,有助于更深入了解银河系的结构,包括无法从地球上直接观测到的例如“银棒”(银河系中心旋转的棒状结构)。 借助“大地女神“,研究人员能够找到那些“离群”恒星:它们高速运动,被认为在银河系与更小星系合并时被甩出。结合现有的信息,包括恒星的颜色、温度和化学组成,这份详细的地图将帮助天文学家重现银河系130亿年的演化历程。
银河系内部恒星的轨迹细节不仅揭示了可见物质的分布,也能告诉我们占据银河系大部分质量的暗物质的分布情况,进而帮助理解暗物质究竟是什么。 “大地女神”还能够检验一些奇特的理论。例如,标准暗物质理论预测,银河系的引力场在银心附近是球对称的,在远处逐渐被拉长,呈“橄榄球”形。但“蒙德”理论(修正的牛顿动力学)则认为引力场的形状更像个薄饼。恒星的运动速度依赖于引力场的分布,通过对速度的精确测量,“大地女神”将告诉我们哪种理论正确。 探测数据甚至可能透露一些“暗物质灭绝恐龙论”的线索。有理论大胆假设,如果暗物质在银道面附近聚集成相对较薄的盘结构,那么当太阳系周期性地穿过“暗盘”时,可能引发造成物种灭绝的小行星撞击事件。
恒星的内禀亮度在其生命周期内如何变化?现有理论对此的理解主要依赖于恒星与太阳间距离的估计。对这类距离的精确测量能够帮助天体物理学家精细调节恒星演化模型。 科学家计划研究的首批目标之一即为金牛座的“昴宿星团”。包括“哈勃”空间望远镜在内的多数观测显示,“昴宿星团”距离我们约135秒差距(440光年)。但根据“依巴谷”的测量数据,这一距离仅为120秒差距。 “大地女神“采用与“依巴谷”相似但更先进的观测方法,天文学家密切地关注着她的测量结果。参与“哈勃”计划的天文学家 索德布洛姆认为,“大地女神“很有可能将证明“依巴谷”错了。 《传奇》,英国蒂姆·怀特绘
天文学家已经发现了上千颗绕行其它恒星的行星。大多发现依赖于凌星现象:在行星绕行至恒星前方时,探测到的恒星亮度会微微下降。但“大地女神“采用另一种方法——测量恒星位置的轻微摇摆,这是由行星引力造成的,因此这种方法还能直接测出行星的质量。 乐观估计,通过“大地女神“打开数千新世界的大门。但用这种方法发现行星需要数年的观测,研究人员预计2018年——也就是今年才会有初步结果。
虽然“大地女神“对距离的直接测量仅限于银河系及邻近天体,但她仍将影响人类对整个可观测宇宙的认识。 对遥远星系的距离估计通常需要名为“Ia型超新星”的恒星爆发。它们常被用作“标准烛光”:通过超新星的观测亮度,我们能够确定相应星系的距离,并且估算宇宙膨胀的速率。天文学家正是基于“Ia型超新星”测距发现宇宙正在加速膨胀,进而提出了“暗能量”的概念——宇宙膨胀的“幕后推手”。
“大地女神”占据着宇宙中的“有利地形”,能够持续不断地扫描整个天空。除了遥远的天体,她也将追踪并且发现靠近地球的天体,甚至可能是一些在特定时段非常靠近太阳,以致无法从地球上观测的天体。预计“大地女神”最终能够观测太阳系内约35万颗小行星,并发现距离地球2亿公里范围内的诸多近地天体。 “大地女神”发现近地天体后,将向地面天文台发出警报,然后判断目标是否构成威胁。另外,通过对某些绕日小行星的持续追踪,“大地女神”将精确检验爱因斯坦的广义相对论。 《泰坦的天空》,英国弗雷德·甘比诺绘 【评论】 法国德·赫特·普罗旺斯天文台教授安东尼·拉比里说:“这个超级太空望远镜将会为另一星球是否存在生命提供不可驳倒的证据。如果你在另一颗围绕恒星运行的行星上发现叶绿素或植物的存在,这些植物还会随着季节的变化不断改变颜色、繁荣和死亡,那么你就已经发现了一个充满生命的外星世界,不管那里的生命是否已经进化到了复杂的形式。” 2017年11月,荷兰格罗宁根大学卡普坦天文研究所领导的科学家大卫·马萨里,发表论文描述表征适当的运动内御夫座矮星系和银河系的运动轨迹,通过空间和遵循的银河系,使用的数据来自“大地女神”和“哈伯”。马萨里说,“我们可以测量的精度实现对应小于从地球看到月亮为针头大小的天空上星星的年度运动”。数据显示,在高椭圆轨道的银河,虽然目前接近,但轨道约72.5万光年。 欧洲人对于宇宙的狂热是出了名的,这多半源于殖民主义和冒险精神。在“历史脉动”往期的内容中,就有“代达罗斯”计划:大英帝国雄心万丈的纸上谈兵?、“伊卡罗斯”计划:悲剧少年探索人类出路?等。 还有一个耐人寻味的话题是:霍金对欧洲人的瞎折腾视而不见,却对中国的望远镜横加指责,本来对霍金充满敬意,对比后不剩什么了。 美国弗兰克·弗雷泽塔绘 【相关资料】 “大地女神”实际上没有使用干涉确定恒星的位置。在最初设计的时候,干涉似乎达到目标分辨率的最佳方式,但后来演变成一种成像设计。与它的前身“依巴谷”,但精度高100倍,“大地女神”由两望远镜提供两观察方向与一个固定的,它们之间106.5°广角。 飞船连续旋转绕垂直于视线的两望远镜线轴线。将旋转轴有轻微进动在天空中,同时保持相同的角度向太阳。通过精确地测量物体的相对位置,从观察方向,得到一个刚性的参考系。 扫描方法 两关键望远镜性能:
“大地女神”飞船和一些着名的光学望远镜孔径公称尺寸的比较 这些将有助于确定恒星的天体测量参数:两对应的角位置上的一个给定的天空的星星,两对在一段时间内的恒星位置的衍生物(运动),最后,明星的视差从距离可以计算。最亮的恒星的径向速度是由一个集成的测量光谱仪观察“多普勒效应”。由于“联盟”号宇宙飞船的物理限制,“大地女神”的震源阵列无法配备最佳的辐射屏蔽。对CCD的地面测试而他们受到的辐射提供保证,主要任务的目标可以达到。 最后的目录数据的预期精度已被计算后的在轨测试,考虑到杂散光的问题,光学的降解,和基本功角失稳。最好的精度对视差、位置、适当的运动是获得光明观察恒星,视星等3-12。对于这些明星的标准偏差预计6.7微弧秒或更好。暗星,误差水平的提高,达到26.6微弧秒误差在视差为第15级明星,和几百个微弧秒第20等星。相比之下,最好的视差水平从新“依巴谷”的减少不超过100微弧秒,典型的水平大几倍。 《“伊卡洛斯”号航班的深度范围》,英国罗杰·迪恩绘 【代号说明】 “宇宙梦想”计划,也译作“宇宙视觉”计划,都是要欣赏瑰丽奇景的意思。 而“大地女神”,最初来源为“全球天体测量干涉仪”的缩写(Gaia,Global Astrometric Interferometer for Astrophysics),仪器计划用于光学干涉测量。而工作方法在研究进展后,首字母缩略词已不再适用,但“大地女神”仍然被延续下来。 “大地女神”,为希腊神话中的大地之母,名字叫“该亚”,她也是所有神祇的始祖。 |
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