恐龍看到的北斗七星和我們看到的有什么不一樣,？

從肉眼觀星到天體測量,，有哪些歷史性事件,？

銀河系中心大質(zhì)量致密天體是如何發(fā)現(xiàn)的？

本期造就TALK——“什么是快樂天文”有幸邀請了上海天文臺(tái)的廖石龍與我們聊聊Gaia時(shí)代的空間天體測量,。

廖石龍

中國科學(xué)院上海天文臺(tái)

▋北斗七星,，真的是你看到的那樣嗎？

北斗七星由大熊座里亮度較高的七顆恒星組成,，看上去就像一個(gè)勺子,，很容易辨認(rèn)。

然而大家可能不知道,，北斗七星在空間中的形狀與我們?nèi)庋劭吹降牟⒉幌嗤?，正如右圖所示，下方黃色的點(diǎn)顯示的是我們?nèi)粘Ｉ钪锌吹降谋倍菲咝堑臉幼?，而上面藍(lán)色的點(diǎn)展現(xiàn)的是北斗七星在空間中真實(shí)的形狀,。

為什么會(huì)不一樣呢？這是因?yàn)楸倍菲咝请m然看似是一個(gè)系統(tǒng)框架里的恒星,，但實(shí)際上它們離地球的距離不等,，也就是說它們不處于同一個(gè)平面，所以在空間中呈現(xiàn)的形狀才會(huì)與我們平時(shí)看到的不一樣,。

▋北斗七星組成的圖形,，一直以來都是一樣的嗎？

眾所周知,，宇宙萬物都處在運(yùn)動(dòng)與變化之中,，恒星也不例外，下方左圖中紅色箭頭的指向代表北斗七星各恒星的運(yùn)動(dòng)方向,，箭頭長短則代表其運(yùn)動(dòng)的快慢,，從中可以看出：隨著時(shí)間的推移，北斗七星的位置是會(huì)變化的,。

大家可以設(shè)想一下,，如果有一天你穿越到過去，6500萬年前,，和恐龍同處一個(gè)時(shí)代,，是否也能用北斗七星指引方向呢？

我們用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,，右圖紅點(diǎn)顯示的就是我們預(yù)測的30萬年前北斗七星可能的位置,。從中可以看出，30萬年前北斗七星組成的形狀就已經(jīng)變了,，如果是6500萬年前,，它的形狀應(yīng)該會(huì)更不同，彼時(shí)若想通過北斗七星辨別方向就會(huì)變得很困難。

因此獲取空間中這些恒星的位置,、運(yùn)動(dòng)情況還有距離是十分重要的,。那么該如何獲取這些信息呢？天文學(xué)里有一門學(xué)科叫天體測量,，就可以解決這個(gè)問題,。

古人最初目視觀星、創(chuàng)制星表,，一是粗定時(shí),，預(yù)報(bào)節(jié)氣和氣候現(xiàn)象，用以指導(dǎo)百姓耕種,、皇家祭祀活動(dòng)等等,；二是粗定向，用以指引海陸遠(yuǎn)征時(shí)的方向,。

在人類幾千年的目視天體測量觀測歷史中,，中國也發(fā)展了很多有名的目視觀星利器，比如說圭表,、簡儀等等,。如果大家去參觀紫金山天文臺(tái)或者北京古觀象臺(tái)等等這些地方的話，就能看到類似的儀器,。

一直到了十七世紀(jì),，意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家伽利略發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡，再后來時(shí)間擺鐘的發(fā)明,、照相術(shù)的應(yīng)用等等，使得現(xiàn)代天文學(xué)逐漸發(fā)展起來,。

那么在現(xiàn)代天文學(xué)里面,，什么是天體測量呢？

天體測量,，就是測量并研究各類天體的位置,、運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)信息，包括人造天體,、太陽系,、更遙遠(yuǎn)的恒星甚至黑洞等等。

其最主要的使命是創(chuàng)建并維持可供人類統(tǒng)一使用的最高精度的“航向燈塔”,，即時(shí)空參考基準(zhǔn),，為天文探索提供“尋寶地圖”，為天文學(xué)家研究銀河系、研究宇宙提供最基礎(chǔ),、最可靠的數(shù)據(jù),。

作為幾乎所有天文學(xué)研究的基礎(chǔ)，精確的天體距離測量能為我們揭開宇宙的面紗,。但由于天體距離地球十分遙遠(yuǎn),，因此距離測量也是天體測量中最難的。

常見的測量天體距離的方法有哈勃-勒梅特定律,、標(biāo)準(zhǔn)燭光法,、分光視差法等等，這些方法在一定程度上都依賴物理模型,、經(jīng)驗(yàn)公式,，因此無法保證其準(zhǔn)確性。

其它的測量方法還有雷達(dá)/激光測距,。我們發(fā)射一束激光到人造衛(wèi)星上,，接收其反射回來的信號(hào)，通過測量這個(gè)時(shí)間差我們就可以獲得這之間的距離,。然而這個(gè)方法僅對近距離目標(biāo)有效,，并不適用于宇宙中絕大部分的天體，如果要測量太陽系以外的恒星,，三角視差法更可靠,。

▋相對視差測量VS絕對視差測量

那么我們先來聊聊什么是視差，舉個(gè)簡單的例子：在一塊背景墻前,，伸出你的大拇指,，然后閉上你的右眼，用左眼看它,；再閉上你的左眼,，用右眼看它，你會(huì)發(fā)現(xiàn)大拇指的位置發(fā)生了變化,。這是因?yàn)槲覀儍芍谎劬τ幸欢ǖ木嚯x,，所以在看同一個(gè)物體時(shí)產(chǎn)生了視差。

因此從有一定距離的兩個(gè)點(diǎn)觀察同一個(gè)目標(biāo)所產(chǎn)生的方向差就是視差,，若能測出觀測角度的變化,，我們就能得到這個(gè)視差。

下圖展示的便是三角視差法：六月份的時(shí)候,，我們在地球上對某一天體拍攝一張照片,，等到12月份，地球轉(zhuǎn)到太陽另一側(cè)時(shí),，我們再對該天體拍攝照片,。通過這個(gè)方向的變化,，我們就能把天體的位置測量出來。

由于這個(gè)方法運(yùn)用的只是簡單基礎(chǔ)的幾何原理,，因此十分可靠,。有了這種方法后，我們便在思考如何才能把距離測得更精準(zhǔn),，這就涉及到兩個(gè)概念：相對視差測量和絕對視差測量,。

相對視差測量，簡單來說就是利用地球圍繞太陽公轉(zhuǎn),，分距太陽兩側(cè)的機(jī)會(huì)（6月份,、12月份），測量同一顆目標(biāo)星相對于背景暗弱恒星（通常距離更遠(yuǎn)）的視差,，從而獲得目標(biāo)星的位置距離,。

雖然背景星離我們更遠(yuǎn)，但它仍然會(huì)有視差變化,，因此這種方法就會(huì)將背景星的視差代入目標(biāo)星的視差中,，使得測量的目標(biāo)視差角變得比實(shí)際要小，讓人誤以為目標(biāo)星距離更遠(yuǎn),。

但如果我們把望遠(yuǎn)鏡做一個(gè)比較特殊的設(shè)置,，兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡同時(shí)進(jìn)行拍攝，放到同一張照片上,，就能在數(shù)學(xué)上扣除背景星視差帶來的影響,，我們把這種方法叫絕對視差測量。這也是我們接下來要講的歐空局Gaia（蓋亞）衛(wèi)星的測量原理,。

▋地面光學(xué)測量VS 空間光學(xué)測量

除了測量方法之外,，測量位置也十分重要。大家應(yīng)該聽過一個(gè)成語叫“風(fēng)起云涌”,，大風(fēng)刮烏云涌,，隨著風(fēng)吹，地球大氣就會(huì)發(fā)生抖動(dòng),；此外大氣對恒星發(fā)出的光會(huì)有折射效應(yīng),，這些因素將使得在地面進(jìn)行觀測時(shí)星象模糊，星星間發(fā)生位置畸變,。

上面兩幅動(dòng)圖分別展示的是我們在地面上對恒星和對月球的拍攝,。從中我們可以看到，由于受到大氣影響,，星象在不停抖動(dòng)，月球表面的隕石坑也在發(fā)生變化。為了避免這些干擾,，我們選擇到太空中進(jìn)行觀測。

那么,，去太空觀測有哪些好處呢,？

首先可以避免地球運(yùn)動(dòng)的干擾,，譬如地球自轉(zhuǎn)、板塊運(yùn)動(dòng)等等,，這些都會(huì)影響我們天體測量的精準(zhǔn)度；

其次,，在地面上觀測,，大氣會(huì)對恒星發(fā)射的光或者電磁波有吸收效應(yīng),。其實(shí)大部分光都不能透過大氣，僅有少部分的可見光或者是射電波段的光才能透過,，而在太空中由于不受大氣影響,，因此可測量所有波段；

此外還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn),，前面我們有提到絕對視角測量,，而獲得絕對視差的關(guān)鍵就是大角度觀測，太空中幾乎沒有什么遮擋物,，視野非常廣闊,。

為了測量絕對視差,，Gaia衛(wèi)星上攜帶有兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡,，觀測過程中兩者指向的夾角（基本角）固定維持在106.5度。隨著Gaia衛(wèi)星不停自轉(zhuǎn),，太空中各星體發(fā)射的光經(jīng)過其望遠(yuǎn)鏡最終會(huì)成像到CCD相機(jī)上,。

CCD相機(jī)上不僅會(huì)記錄星體的位置,，還會(huì)記錄其顏色,，藍(lán)色波段或者紅色波段,，此外還要對其光譜進(jìn)行測量分析來測定該星體離我們遠(yuǎn)去或者靠近的速度,，隨后這些數(shù)據(jù)信息會(huì)被轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制最終傳回地球,，供地面的科學(xué)家們進(jìn)一步處理分析。

大家可以先看上面這張圖,，這張圖展示的就是我們的測量原理。下雨天,，你手里舉著一把傘，在沒有風(fēng)的情況下,，雨水是垂直淋下來的，并不會(huì)淋到你的腳,；但如果你跑動(dòng)起來,，雨落的方向就會(huì)發(fā)生變化,，這個(gè)時(shí)候你的腳就會(huì)被淋濕,。

實(shí)際上天文觀測也是一樣。當(dāng)恒星發(fā)出的光射入我們地球時(shí),，我們用望遠(yuǎn)鏡去觀測,，如果地球是靜止不動(dòng)的,，那么我們的觀測方向就不會(huì)發(fā)生變化,；但我們的地球是動(dòng)的,，因此觀測方向就會(huì)發(fā)生變化,，這種現(xiàn)象在天文學(xué)里叫光行差，其本質(zhì)原因就是光速有限以及觀測者存在相對運(yùn)動(dòng),。

而右邊這張圖展示就是我們利用類星體來測量加速度的大小,。我們將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了這些遙遠(yuǎn)的“錨固點(diǎn)”，因?yàn)樗鼈兪遣粍?dòng)的,，所以說只要我們測出它們動(dòng)了，就可以說明我們自己是動(dòng)的,。

如果將望遠(yuǎn)鏡繞著銀河系來轉(zhuǎn),，它的速度就會(huì)在加速度的影響下不斷發(fā)生變化，通過測量這種變化,，我們就可以獲得加速度的大小,。此外,，我們可以看到圖上的那些錨固點(diǎn),，它們的運(yùn)動(dòng)方向一直是向著銀河中心的,，這也跟我們前面提到的預(yù)測模型一致,。

▋致密天體或黑洞

眾所周知，2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了銀河系中心大質(zhì)量致密天體的發(fā)現(xiàn),。我們可以看到右邊這張圖,，放大的圓圈就是S2恒星圍繞銀河系中心的運(yùn)動(dòng)軌跡,。

S2恒星極其靠近銀河系中心,，從1992年開始天文學(xué)家就對其軌道進(jìn)行觀測,，由于這顆恒星在不到16年的時(shí)間內(nèi)就完成了圍繞銀河系中心的完整運(yùn)行,，因此科學(xué)家們得以繪制出它的完整軌道。

通過分析S2恒星的運(yùn)動(dòng)模式,，科學(xué)家們認(rèn)為在銀河系中心存在一個(gè)提供引力的天體,，根據(jù)其軌道的大小和周期,，最終測得該中心天體的質(zhì)量大約為400萬個(gè)太陽質(zhì)量。

理論上,，我們預(yù)測銀河系中大概有數(shù)千萬的黑洞，質(zhì)量越小數(shù)目就越多,，而實(shí)際上我們觀測到的黑洞卻只有圖中這些,，還缺失了3-6個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞（下圖紅色方框），可見現(xiàn)實(shí)的觀測水平與理論還存在巨大差距,。

那么如何發(fā)現(xiàn)更多的黑洞呢,？Gaia將提供更高效的方式。

我們都知道,，Gaia會(huì)不停地掃描我們整個(gè)宇宙。隨著這些掃描,，我們就能對整個(gè)天球中Gaia能見的這些恒星的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測量與記錄,。通過分析這些恒星的運(yùn)動(dòng)，將有軌道運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)找出來,，確定其軌道的大小和周期后,，我們就能測量為其提供引力的天體的質(zhì)量，這也是天體測量高效發(fā)現(xiàn)黑洞的的原理,。

可以說,，Gaia是天體測量史上的一個(gè)里程碑式項(xiàng)目，也是迄今為止實(shí)施精度最高的項(xiàng)目,。除了可以更高效地發(fā)現(xiàn)類星體,、致密天體之外,，Gaia還能為銀河系的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué),、恒星形成和演化提供距離,、運(yùn)動(dòng)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

德國海德堡大學(xué)教授,、Gaia科學(xué)委員會(huì)數(shù)據(jù)處理負(fù)責(zé)人U.Bastian曾評價(jià)Gaia道“Gaia將照亮天文學(xué)的每一個(gè)角落”,。