天文学家都是吃货，不然怎么会有盖亚香肠和盖亚蜗牛
2022/12/12 7:00:00 科学大院
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那是2013年12月19日的下午，我在上海刚刚结束了一个国际学术会议，赶紧借用了上海天文台的一间会议室，将欧洲空间局的直播视频投到幕墙上，与其他天文学家们一同观看一件大事件。远在地球另一边的，法属圭亚那库鲁火箭发射场矗立着俄罗斯的联盟火箭，它马上就要将欧洲空间局最大的天文卫星——盖亚(Gaia)送入深空。随着火箭发射成功，作为Gaia项目的一名参与者，我当时的心情非常激动。画面中是万里之外的直播现场，看着那些熟悉的同事欢呼着相互拥抱，思绪把我拉回到了我的博士后生涯。
2009年的一天，我挤在海得堡大学计算天文学研究所一间狭小的会议室，屋子里坐满了观众，讲台上是著名的霍格教授(Erik H?g)，他正在回忆现代欧洲天文学家对天体测量研究孜孜不倦的求索历程。我刚刚加入Gaia项目，是里面唯一的中国人。
国内有不少学者对霍格教授比较熟悉，最为深刻的记忆怕是在1992年，他在上海的国际会议之余用中文表演节目。作为Hipparcos和Gaia两代天体测量卫星的发起者，他不仅是现代天体测量学的先驱，创造性地改造中星仪，提升了天体测量观测技术，也是推动天体测量学成为天体物理学重要支柱的历史功臣。
演讲中的霍格教授。
三角视差
如此简单，如此困难
恒星的距离一直是天文学中最难测量的一个量。古希腊天文学家依巴谷(Hippachus)提出采用三角视差测量方法测定恒星的距离。这一方法一直广泛应用在大地测量上。在地球上间隔半年时间看同一颗星，因为两次观测的时候地球分别处于太阳两侧，观看恒星的时候，恒星和背景天体(假设位于近乎无穷远的地方)的相对位置因此会发生微小变化。虽然依巴谷提出了如此简单的办法，但实现起来却并不容易。古代的天文学家其实并不知道恒星到我们的距离远远超过大行星到我们的距离，恒星的三角视差都极其微小。今天我们知道据离我们最近的恒星的三角视差也只有0.75角秒左右，相当于在1千米之外识别3毫米的位置变化。
在没有望远镜的年代里，这是一项不可完成的任务。即便后来望远镜被广泛应用于天文观测，实现如此小的空间位移的测量也耗费了天文学家数百年时间。
到了19世纪，这场漫长的测量终于进入高潮，斯特鲁维(Wilhelm Struve)自1835年开始测量织女星的三角视差，但结果直到1840年才正式发表。贝塞尔(Friedich Bessel)虽然在1837年才入场，但于1838年就率先发表了天鹅座61(61 Cygni)的三角视差，赢得了这场旷日持久的马拉松。人类第一次知道了恒星到我们的距离是如此遥远。值得一提的是两位天文学家用的望远镜都是德国物理学家和工匠夫琅禾费(Joseph Fraunhofer)制作的。亨德森(Thomas Henderson)仅仅晚了贝塞尔一年，发表了对距离太阳最近的三星系统半人马座α星的测量结果。虽然他选择的是最容易观测的目标，但测量过程太拖沓了。
从中星仪到依巴谷卫星
千米之外的细菌
批量测量恒星的三角视差，仅靠一台普通的望远镜不行，需要把这台望远镜变成一把精确的量角器。罗默(Roemer)发明了中星仪，望远镜被严格限制在中天子午线上，只能上下移动(南北方向)，不能左右移动(东西方向)。由于恒星随着地球自转自东向西穿越望远镜视场，那么两颗恒星先后穿越望远镜视场的时间差就可以换算成它们的夹角。这一方法大大提高了望远镜测量天体夹角的精度。
有了高精度工具，天文学家也仅仅完成了非常少的恒星的三角视差测量。他们显然需要更有力工具来提高效率。20世纪60年代，霍格等人进一步改进了设备，通过增加楔形狭缝配合光电倍增管，可以以更高精度、半自动化地测量恒星的三角视差。二战之后大规模的照相巡天项目也极大提高了具有天体测量结果恒星的数量。这个时候，天文学家们不满足地面三角视差的测量精度了，大气视宁度的限制导致三角视差精度难以跨越10毫角秒。他们开始向空间前进。
1980年代，霍格等人设计了依巴谷(Hippacos)卫星，利用电视摄像管和狭缝对两片方向相差很远的天空同时进行精确扫描，以通过大角度测量来提高天体测量精度。依巴谷卫星成功观测了10万多颗恒星的三角视差和自行，精度达到了1毫角秒，相当于1千米之外分辨4.8微米的细菌。
合作性竞争
罗默望远镜和GAIA计划的提出
依巴谷卫星的成功激发了欧洲的天文学家们更具野心的空间探测计划。霍格等人提出了一个使用了二维矩阵探测器(CCD)的放大版依巴谷卫星构思，并命名为罗默望远镜(Roemertelescope)，以纪念这位发明了中星仪的天文学家。实际上这一构想是1992年首次在中国上海举办的IAU第156号专题研讨会上向同行展示的。
罗默望远镜不仅创新性地将那个时代非常前沿的顶级电子技术CCD器件引入了空间天体测量，大大提高了天体测量的效率，还充分利用CCD的特点以时延积分方式扫描天空(TDI,Time Delay Integration)，实现同依巴谷卫星类似的天体测量工作模式，并借助更大的口径和更为精确的控制，测量精度再提高一个数量级。
几乎与此同时，依巴谷项目另外两位灵 魂 人 物 ， 莱 纳 特 · 林 德 格 伦 ( Lennart Lindegren)和迈克尔·佩里曼(MichaelPerryman)提出了一个更加前卫大胆的构想，他们利用一种称为菲索干涉的技术获得更加高精度的空间分辨率，期望成倍提高天体测量精度。他们将这个构想命名为GAIA，也就是用于天体物理的天体测量干涉仪(Global AstrometricInterferometer for Astrophysics)。
随后两个方案均作为欧洲空间局(ESA)演讲中的霍格教授的候选方案参与竞争。在2011年霍格的一篇回忆录中，他叙述到，他和林德格伦均认为这两个方案并非两个“竞争性”提案，而是“非排他的两个概念设计”。实际上两个团队一直保持密切合作，并未出现在此类情况下常见的“狗血”剧情。在此不得不向欧洲的天文学家们致敬，致敬他们那种无私的合作精神，这也是盖亚项目取得巨大成功的灵魂。
盖亚卫星概念的提出者之一林德格伦。版权/ESA
意外惊喜
罗默和GAIA合体了？!
精度再提高100倍
在随后几年高强度的论证工作中，佩里曼显示出了卓越的领导和协调能力，技术方案也越来越倾向GAIA的干涉仪方案，罗默望远镜方案面临出局。然而，到了1998年，工程师们经过多轮论证之后发现，干涉仪方案并不能带来性能的提升，而自发地提出了改进方案，这一方案竟然与罗默望远镜不谋而合，这也着实让霍格大大惊喜了一番。这决定性地将GAIA的技术方案推向了罗默望远镜方案。霍格后来总结了原始GAIA方案的三个致命缺陷：第一，把镜子中间挖去一大块以创造干涉条件损失了通光量，这当然对高精度位置测量不利；第二，望远镜的稳定性要求结构相对位置精度在纳米级，即使在今天也是难以达到的；第三，叠加起来的干涉仪需要一个巨大的遮阳板。
到了1998年年中，技术路线日渐明朗，GAIA的结构也更像今天看到的样子。2000年，GAIA科学团队成立，2007年ESA最终确定了Gaia的结构和指标，GAIA也完成了向盖亚(Gaia)的蜕变。盖亚的最终指标是天体测量精度在10微角秒，相当于一枚放在月球表面上的硬币的直径!这也比它的前代依巴谷卫星的精度足足高了100倍!
从罗默望远镜计划到GAIA，最后成为盖亚(Gaia)，显示了一个大型空间项目如何在几近不可能的科学指标和最优化技术实现之间取得完美的平衡。这充分显示了ESA在空间望远镜建设上的高超管理水平以及欧洲天文学家和工业界的精细严谨的工匠精神和合作共赢的团队精神，值得我们借鉴和学习。
盖亚项目的成功离不开霍格、林德格伦和佩里曼的贡献，他们堪称盖亚三杰：霍格推动了天体测量领域向空间发展，林德格伦提出了精致的天体测量解算方案，展现了一位理论家的风采，而佩里曼则是一位顶级的科学项目管理者，将一群优秀的欧洲科学家和工程师组织起来，在最艰难的90年代有力推动GAIA项目收敛到最优方案上。2022年林德格伦和佩里曼因为在依巴谷和盖亚项目中的卓越贡献而获得了邵逸夫天文学奖。
装配调试中的盖亚卫星有效载荷部分。版权/ESA
盖亚冲刺班
前人栽树后人乘凉
在海德堡工作的三年里，我也有幸结识了佩里曼教授。那个时候他已经退休，正在海德堡休学术假。所以我不是在学术会议或项目研制中认识的他，而是在壁球馆里。那个时候我和几位同事每周三都去一家体育俱乐部打壁球。他是一个壁球高手，尽管年长我近30岁，在一年之中我也仅仅赢过他一局而已。这是不是再次说明，身体是成为优秀天文学家的重要本钱呢？
大型空间项目往往是一代人构思、一代人建设、一代人使用。霍格、林德格伦和佩里曼那一代人在依巴谷项目中完成了盖亚的创想。佩里曼领导了盖亚项目早期的研制。蒂莫·普鲁斯蒂(Timo Prusti)接过佩里曼的班，作为项目科学家最终将盖亚卫星送上了太空。安东尼·布朗(Antony Brown)、安东内拉·瓦莱纳里(Antonela Vallenari)等中生代欧洲天文学者，则将盖亚推广到全世界。来自世界各地年轻的天文学家们得益于前两代人的辛勤工作，在盖亚数据上做出了惊人发现。
2016年盖亚首次向全世界发表了第一批数据。我的两位研究合作者，美国纽约大学的豪格(David Hogg)教授和德国马克斯普朗克天文研究所的利克斯(Hans-Walter Rix)教授发起了盖亚冲刺班，这一形式旋即风靡全球。2022年，当盖亚发布第三版数据的时候，尽管新冠疫情仍居高位，欧洲还是召集了好几个冲刺班，中国也在中国科学院大学和三峡大学的支持下举办了三期盖亚冲刺班。
何为冲刺班？就是将一群有想法的人聚集在一起大开脑洞，琢磨如何从盖亚的数据中找到重大发现。这个过程时间紧张刺激，工作强度非常大。在纽约的2016年和2018年两届冲刺班上，大家非常辛苦，以至于冲刺班的资助人西蒙斯(James Simons)每天傍晚都拿出好吃好酒招待大家。冲刺班的成员们一边品尝美酿佳肴，一边在投影幕布前唇枪舌战，争论着一天以来的热点发现。是的，很多天文学家都是“吃货”，毕竟Astronomy(天文)和Gastronomy(美食)只差一个字母而已。
天文学家都是吃货
盖亚香肠和盖亚蜗牛
使用Gaia数据开展研究的天文学家中吃货似乎尤其多。最为著名的莫过于天文鬼才、剑桥大学的俄裔天文学家别洛库洛夫(VasilyBerokurov)。2018年，他利用盖亚数据发现一些太阳附近典型的年老晕族恒星的三维速度分布非常奇怪，呈现出一个长棒状结构，完全不像盘族恒星在三维速度空间中呈现的球状分布。于是他将这个长棒状结构命名为“盖亚香肠”(Gaia-Sausage)，一度风靡全球。这个盖亚香肠实际上是一个被银河系吞到肚子里的矮星系的残骸，对银河系来说也确实是个美味的星系香肠。
与他差不多同时期发现这个星系残骸的阿根廷裔荷兰天文学家希勒米教授(AminaHelmi)则用希腊神话中天神乌拉诺斯和大地女神盖亚之子恩克拉多斯来命名，称之为“盖亚-恩克拉多斯”(Gaia-Enceladus)，然而传播效果并不如“盖亚香肠”，相比于这个拗口的拉丁名字，还是香肠叫起来色香味俱全。
盖亚香肠的发现证实了银河系早期确实如很多河外星系一样，经历了剧烈的并合过程。今天的宇宙学模型普遍认为，大星系往往通过吞噬其它星系这种野蛮激烈的方式成长。盖亚卫星让天文学家们第一次真真切切地看到这个过程就发生在我们身边。看起来浪漫优雅的银河系，实际上也是“食星系族”的一员。
另一位“吃货”天文学家掀起了更大的热潮。巴塞罗那大学的西班牙女天文学家安多哈(Teresa Antoja)也在2018年展示了一个螺旋结构，这个结构不像盖亚香肠那么明显，而是隐藏在恒星运动轨道的相空间中。上海交通大学的李兆聿副教授后来形象的称其为“蜗牛”。你看，又是一道美食!
这一发现顿时引起了全球吃货天文学家追捧。无论是英国、美国、澳大利亚还是中国，天文学家们首先用各种不同的观测数据验证了这个蜗牛是真实存在的结构。
在一系列密集发表的工作中，人们普遍认为它是因为大约数亿年以前一个矮星系穿越了银河系而带来的巨大动力学扰动。就在银河系遭受到宇宙最为激烈的星系级袭击的同时，处于星系边疆的小小太阳系内，地球上正处于生物大爆发的寒武纪和恐龙称霸的侏罗纪时代，一切是那么的欣欣向荣。虽然没有彻底破坏银河系的结构，但在银河系美丽的恒星盘上还是掀起了一场猛烈风暴，并重新塑造了银盘的形状。这一发现再一次证明，星系的一生是狂暴的——要么把同类吃掉，要么被同类攻击，妥妥的黑暗森林再现。
银河系和矮星系并合产生“香肠”的数值模拟。来源/剑桥大学
尾声
当然，天文学家不能仅仅是吃货和酒徒。很多天文学家还有很大脑洞。例如，有人尝试用盖亚卫星观测遥远的类星体，并试图利用盖亚卫星数据解决宇宙学的重大问题。有人则从处理不好的盖亚卫星次品数据中挖掘出很多有意思的双星，不少可能携带着一个致密的伴星，非常有可能是一些恒星级黑洞。
经过三十年的建设和近十年的运行，如今全世界的天文学家已经发表了近4000篇盖亚卫星相关的论文。银河系和恒星的研究正在以肉眼可见的速度发生着重大变革。这一切归功于盖亚卫星和它的三代团队。
每次登录到欧洲空间局的盖亚卫星数据处理和分析团队(DPAC)网站上，我总是忍不住进入“People”页面，那里按照字母顺序列出了所有盖亚卫星的建设者的名字、照片和经历，我也有幸在其中。它让我回到了十多年前，回到了一起工作过的同事们身边，为盖亚卫星取得的成功，更为同这么多优秀的欧洲天文学家一同工作过，而深感自豪。
今天，中国的天文学家联手工程师们，也在建造中国的空间巡天望远镜(CSST)(看看这台有史以来中国天文学界获得的最贵、最先进的观测仪器)。希望我们能够从盖亚卫星的经历中学习和成长，让未来的中国天文学家们也能为我们今天的努力而感到骄傲。
作者介绍
刘超
主要从事恒星和星族、银河系结构、星系动力学、空间天文数据处理等研究。现为中国科学院国家天文台空间站望远镜科学应用研究团组首席科学家，中国科学院大学岗位教授，北京师范大学天文与天体物理前沿研究所双聘研究员，巡天空间望远镜科学数据处理系统项目负责人。
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