综述：利用盖亚（Gaia）进行空间天体测量：对银河系理解的进步

《Annual Review of Fluid Mechanics》：Space astrometry with Gaia: Advances in understanding our Galaxy

Gaia卫星通过高精度空间测量和光谱分析，构建了银河系及宇宙尺度星表，揭示恒星质量、年龄、化学组成及银河系动力学特征，推动天体测量学、恒星物理、银河系演化及宇宙学模型发展。

　　Michael Perryman
School of Physics, University College Dublin, Ireland

**摘要**
Gaia是欧洲航天局（ESA）的一项重要卫星任务，其目标是创建一个包含两亿颗银河系恒星、超过十万颗太阳系小行星以及数百万颗遥远类星体的目录，这些天体的坐标均基于一个外银河系的参考系。除了精确的位置和空间运动外，Gaia还提供了多历元的光度和光谱数据，这些数据构成了一个前所未有的数据集，包含关于恒星质量、年龄和化学成分等基本物理量的信息。本文将概述该领域的历史背景，解释这些空间测量的关键原理，并对由此产生的大量科学成果进行广泛讨论，包括太阳系科学、恒星结构与演化，以及银河系结构、演化和动力学等方面。

**引言**
Gaia是欧洲航天局（ESA）开发和运营的一项重大科学卫星。它利用空间环境的优势，以空前的精度测量大量恒星和其他天体的位置。Gaia的研究始于上世纪90年代初，并与开创性的Hipparcos空间任务的最终阶段有所重叠。该项目于2000年被纳入ESA的科学计划，卫星于2013年12月发射，并在地球-太阳拉格朗日点（L2）轨道上持续运行，直至2025年1月。通过在超过十年的时间内对天球进行重复扫描，Gaia的先进光学望远镜和探测系统能够构建一个极为精确的三维星图，包括两亿颗恒星的空间运动，以及超过十万颗太阳系天体的详细信息，所有数据均参照由数百万类星体和致密星系定义的外银河系参考系。

尽管天文学中的距离极为庞大，例如最近的恒星距离地球约1光年（约1 parsec），而银河系中心则远至约8千光年（约8 kpc），Gaia的卫星测量仍然能够准确地确定每个观测天体的距离和空间运动。距离是通过地球（以及Gaia卫星）在围绕太阳的轨道上运动，从而形成三角测量的过程来推导的。这一过程使得每颗恒星相对于背景恒星的位置每年产生一个极小的角位移，其振幅与恒星的距离成反比。空间运动则是通过其在时间上的微小长期位移来确定的。

Gaia对银河系内大量恒星的精确距离测量，使得能够校准它们的固有光度（以及其他基本特性），从而通过数值模型深入研究它们的内部结构及其演化过程。精确的空间运动数据还允许对单个恒星以及银河系中整体恒星结构（包括星团、旋臂、引力共振运动和古老的晕流）进行广泛的运动学和动力学研究。这些观测结果进一步揭示了银河系在12至130亿年前的形成过程。

除了位置测量，Gaia还提供了多波长的光学光度数据，以及对部分最亮天体的光谱测量。多色光度数据能够详细描述每颗恒星的温度、半径、质量和化学成分，而多个历元的精确光度测量（在整个十年任务中约有150次）则有助于研究恒星的变异性，这一特性同样提供了关于恒星物理本质的深刻见解。光谱测量则能够提供恒星的径向速度（沿视线方向的速度），以及进一步的物理特性信息，还有沿视线方向的星际消光程度。

要创建Gaia的星表和相关物理属性（温度、表面重力等），需要对卫星数据进行大量处理。ESA将这一全球性的数据处理任务委托给一个欧洲的联盟，即Gaia数据处理与分析联盟（DPAC）。该数据处理过程可以视为一项庞大的迭代任务，其输入是十年内获取的数百万PB卫星数据，输出则是所需的物理量。截至目前，已经发布了四个主要数据版本，每个版本都完全取代前一个：2016年的数据版本1（DR1），基于卫星运行的前14个月数据；2018年的数据版本2（DR2），基于前22个月数据；2020年的早期数据版本3（EDR3），基于前34个月数据；以及2022年的数据版本3，覆盖与DR3相同的数据区间，但包含大量额外的科学内容。预计未来还将发布DR4和DR5，其中DR4将在2026年底发布，基于卫星运行的前5.5年数据，而最终的DR5则将在2030年左右发布，包含整个10.5年的任务数据。

本文主要致力于概述Gaia任务至今的广泛科学成果，这些成果在2016年首次数据发布以来的7000多篇同行评审论文中有所体现。在此之前，Brown（2021）曾对Gaia的全部科学亮点进行过一次回顾，该回顾发生在DR3发布之前。本文的目标是为DR4发布前提供Gaia的主要科学发现的更新，展示Gaia任务的多个方面如何相互关联，并激励未来的科学探索。据天体物理学数据系统（ADS）统计，2016年至2025年间，有近12000篇论文提及“Gaia”一词，其中超过一半是同行评审论文。显然，不可能或不适当试图涵盖所有这些论文。本文提供了足够的参考文献，以便进一步研究各个领域，但也意识到可能会有重要的论文或研究领域未被提及。

对于非天文学领域的读者，或对基本概念不熟悉的读者，第二部分提供了这一科学领域的简要历史，以及为何需要从空间进行这些测量的原因。Gaia卫星的关键测量和操作原理在第三部分进行了总结。第四部分则概述了数据处理过程，即如何从卫星数据中推导出距离、空间运动以及多系统信息，以及如何利用光度和光谱数据来估算恒星的物理属性（如质量、半径、表面重力、年龄、化学丰度、星际消光等）。

主要的科学回顾分为五个部分：第五部分收集了一些在特定情况下相关的“物理效应”，但这些效应并不自然地属于后续章节；第六部分详细介绍了太阳系研究；第七部分涵盖了关于恒星结构和演化的广泛成果（包括棕矮星和系外行星）；第八部分详细介绍了与银河系结构和动力学相关的成果；第九部分则回顾了Gaia对本地星系群研究和宇宙学的影响。最后，第十部分简要描述了未来数据发布的计划，以及空间天体测量的未来展望。附录A提供了一些在该领域中使用的主要缩写和特定的符号与单位。附录B则提供了一些坐标变换、位置推算以及与Gaia相关的软件工具的详细信息。

**测量角度**
Gaia的任务专注于天文学中的“天体测量”领域，该领域涉及天体的位置研究，包括行星和其他太阳系天体、银河系内的数十亿颗恒星，以及银河系之外的无数星系。在古代，记录和精确定位恒星和行星的位置是少数可供研究的天文现象之一，因此天文学与天体测量在近一个世纪前几乎同义。随着科学技术的进步，天体测量逐渐发展为一个独立的分支，专注于通过精密测量确定天体的坐标。Gaia通过其高精度的测量技术，能够实现对天体位置的精确测定，这是天体测量技术的重要进展。

**Gaia卫星**
Gaia于2000年被纳入ESA的科学计划，原定于2012年发射，并于2006年进入详细设计阶段（Phase B）。卫星于2013年12月19日从法属圭亚那的库鲁发射，并被放置在地球-太阳拉格朗日点（L2）轨道上。该轨道位于地球与太阳之间，提供了一个稳定的观测环境，有助于实现Gaia的高精度扫描。Gaia在发射后经历了一个为期六个月的调试阶段，随后于2014年7月开始常规科学操作。卫星的运行寿命最初设定为五年，这是基于其关键组件的设计寿命。然而，由于卫星的运行寿命受限于其用于精细姿态控制的“冷气体”（氮气），在2025年1月15日，随着冷气体几乎耗尽，科学操作被终止。超过十年的高精度天体测量观测至此结束。

**概述**
整个科学数据处理过程（从卫星数据接收，到天体目录的生成）由一个单一的欧洲团队——Gaia数据处理与分析联盟（DPAC）——负责。该团队分布于多个国家，其成员在任务发射前由Mignard等人（2008）描述。DPAC由九个“协调单元”组成，涵盖了超过400名科学家，来自15个国家。这些单元负责所有相关的科学活动，包括系统架构（CU1）、模拟（CU2）、核心数据处理（CU3）等。DPAC的成立是Gaia任务成功的关键，它确保了所有数据的高质量处理和分析。

**物理效应**
在微弧秒级别的测量中，揭示了一些特定的“物理效应”，这些效应在讨论太阳系科学、白矮星等方面具有重要意义。这些效应包括来自广义相对论的影响（如光线偏折和引力红移）、视点加速度、恒星和银河系的视差效应，以及引力常数的可能变化。这些效应虽然在某些情况下相关，但它们并不自然地属于后续的章节，因此在这一部分进行讨论。广义相对论的效应在天体测量中尤为重要，因为它们能够影响恒星和星系的观测位置和运动轨迹。视点加速度则是由于地球和Gaia卫星在轨道上的运动，导致观测天体的坐标发生变化。这些效应的测量和分析为理解天体运动提供了重要的参考。

**太阳系**
太阳系是一个由引力束缚的系统，包括太阳、八颗行星、它们的卫星、一些小行星以及大量较小的天体，如岩石小行星和冰质彗星。这些小天体包括太阳系形成初期的残余物，可以根据它们的太阳中心距离、轨道、大小、形态和成分进行分类。本文将概述Gaia对小行星群体的普查，以及一些相关的研究。Gaia的观测不仅限于恒星，还包括太阳系内的小行星和彗星，这些天体的测量为理解太阳系的结构和演化提供了重要的数据支持。

**恒星结构与演化**
关于恒星结构和演化的章节，以及随后的关于银河系结构和动力学的章节（第八章），在内容上有所重叠。因此，关于恒星结构和演化的理解通常是通过特定的恒星样本得出的，例如在太阳附近或特定星团中的恒星样本。本文将描述Gaia对附近恒星的普查，以及对附近疏散星团的观测。这些观测不仅提供了恒星的基本属性，还揭示了它们的演化过程。例如，通过分析恒星的光度和光谱数据，可以推断恒星的质量、年龄和化学成分，这些信息对于理解恒星的内部结构和演化至关重要。

**银河系结构与动力学**
银河系的主要结构包括扁平的盘，这是银河系最显著的组成部分，包含了数十亿颗不同种类和年龄的恒星，它们围绕银河系中心运行。太阳位于银河系中心约8.5千光年（kpc）处。银河系的盘显示了螺旋结构，并且包含星际物质，主要是原子和分子氢，以及大量的尘埃。盘的内kpc区域还包含了恒星系的“核球”，这是一个更扁平的结构，可能包含大量古老恒星。核球的观测为理解银河系的形成和演化提供了重要的线索。此外，Gaia的观测还揭示了银河系中复杂的运动学特征，如旋臂结构、星团运动、引力共振和古老的晕流。这些观测不仅有助于研究银河系的结构，还为探索其动力学提供了丰富的数据。

**本地星系群与宇宙学**
在过去20至30年间，通过观测、理论和数值模拟的结合，ΛCDM模型（Lambda Cold Dark Matter）已成为描述宇宙大尺度结构的最佳模型。在这一背景下，Gaia对银河系中复杂运动学特征的观测，如在第八章中详细描述的Gaia运动学螺旋，为理解宇宙的结构和演化提供了重要支持。这些观测不仅揭示了银河系的运动特征，还为研究本地星系群和宇宙学提供了新的视角。例如，通过分析Gaia的星表数据，可以研究本地星系群中其他星系的运动轨迹，以及它们与银河系之间的相互作用。这些研究对于理解宇宙的演化历史具有重要意义。

**Gaia观测的结束**
Gaia卫星的运行寿命受到其用于精细姿态控制的“冷气体”（氮气）的限制。在2025年1月15日，随着冷气体几乎耗尽，科学操作被终止。超过十年的高精度天体测量观测至此结束。在科学操作终止后，卫星进行了约两个月的各类技术测试，随后进入任务的结束阶段。Gaia的观测数据为天文学提供了前所未有的精度、数量和范围，这些数据的积累对于未来的科学研究具有深远的影响。

**总结**
Gaia的任务建立在Hipparcos任务所奠定的天体测量原理基础上，为银河系及其之外的天体提供了革命性的新视角。Gaia同时提供了全天空的高精度天体测量数据、多历元的多色光度数据以及径向速度和中等分辨率的光谱数据，使得能够对两亿颗恒星进行物理特性分析，这些恒星的物理特性包括质量、年龄和化学成分等。此外，Gaia的观测数据还为太阳系科学、恒星结构与演化、银河系结构与动力学，以及本地星系群和宇宙学的研究提供了重要支持。Gaia的科学成果不仅改变了我们对银河系的理解，还为未来的空间天体测量任务提供了宝贵的经验。