GAIA的天空
去年9月14日，欧洲空间局的GAIA卫星在入轨第三年后，基于2014年7月到2015年9月间的观测，公布了第一批数据——GAIA DR1，其中囊括了全天11亿个亮于20.7等的天体的毫角秒精度坐标信息，更结合前辈的历史数据，导出了其中最明亮的那部分星辰的空间运动，标志着天体测量新时代的到来。
使用GAIA第一批发布数据绘制的全天图。背景中深浅不一的条纹是卫星的扫描观测流程引入的人工缺陷，随着观测的继续，条纹将变得愈发不明显。（图片提供：ESA/Gaia/DPAC）
今年4月在法国尼斯召开的IAU研讨会“GAIA天空中的天体测量与天体物理学”则总结了这批数据释放以来天文学界基于此取得的成果。期间的一些会议论文近日在arXiv陆续发表，让我们得以一瞥GAIA的影响力。
GAIA的测光极限星等超过了20等，对其中亮于16等的目标更可进行分光观测；空间分辨率又堪与哈勃空间望远镜相比，全天覆盖的均匀性也是空前的。这第一批公布的数据包括各个源的G波段测光星等以及赤经/赤纬坐标，精度达到了2.3毫角秒，其中含有2152个参与国际天球参考架（ICRF）定义的类星体——它们的重要性不必多言，但因为亮度多半在15到20等之间，先前依巴谷卫星并没有能力涵盖太多；还有GAIA DR1与第谷2星表共有的200万个天体（第谷-GAIA天体测量解决方案表，TGAS）的毫角秒级位置、视差和自行信息。除此之外，数以千计的天琴RR变星和数百颗造父变星的光变曲线也是GAIA从事长时间天体测量工作的副产品。
GAIA DR1的成员天体星等分布（蓝色）与依巴谷卫星的依巴谷星表（绿色）和第谷星表（米黄色）星等分布的比较。图中还给出了定义ICRF的类星体的星等分布（红色）。（图片来源：Brown 2017）
当然，GAIA DR1的信息并非尽善尽美。比如TGAS的视差精度质量是一个仍有争议的问题。这些恒星典型的视差不确定性大约在0.3毫角秒左右，自行不确定性是每年1毫角秒（对于来自依巴谷星表的部分，可以达到每年0.06毫角秒）。但利用各种标准烛光天体独立进行的分析表明，TGAS的视差可能整体有误差，只是误差的方向有人认为过低，有人认为偏高，其中的可能性比较复杂，甚至可能在不同方向、不同天区均有不同，最终的澄清有待时日。但就算如此，GAIA的数据对于研究者来说仍旧是空前的。
在高精度的GAIA天空之下，天文学家都做了些什么？其实在验证仪器性能以及完成天体测量基本任务之外，GAIA还做了不少“不务正业”之事，比如超新星搜索。为了精确确定每个天体的位置，GAIA必须反复扫描全天，期间不仅可以像前述那样记录下大量变星的光变曲线，更能捕获一些偶发的突然事件。GAIA的第一颗超新星——Gaia14aaa就是这样被发现的。这个瞬变源因导致宿主星系亮度突增而得到了GAIA团队关注，其他天文台的后续观测证明了它作为超新星的身份。
Gaia14aaa及其宿主星系的影像。（图片版权：M. Fraser/S. Hodgkin/L. Wyrzykowski/H. Campbell/N. Blagorodnova/Z. Kostrzewa-Rutkowska/Liverpool Telescope/SDSS）
除了让前身星彻底瓦解的激烈超新星爆发，其他小规模的恒星爆发事件GAIA也多有记录，如激变变星、年轻恒星的耀斑活动等。反复的巡天扫描还是记录行星状星云等天体数年内形态演化的好方法。而在更加靠近地球的地方，GAIA还乐此不疲地充当着小行星猎手的角色。
GAIA的天体测量主业也让天文界获得了一座可供挖掘多年的宝藏。比如剑桥大学的研究者注意到了GAIA DRI中变星的测光不确定性反映了历次观测期间的星等数据离散度，进而利用星等和星等离散度的关系辨认出了新的天琴RR变星候选体——离散度越大，该天体实质为变星的可能性也就越强。最终的结果是，大小麦哲伦云之间由年老恒星搭起的潮汐桥梁就此显身，它与先前已知的由年轻主序星构筑的另一道桥梁有所不同，暗示了星系相互作用的历史。
大小麦哲伦云与之间由潮汐尾搭起的桥梁，其中红色数据点表示先前已知的年轻主序星桥梁，蓝色表示新发现的天琴RR变星桥梁。（图片来源：Belokurov 2017）
天狼星背后一个疏散星团Gaia 1的现身是GAIA实力的又一次验证。找到它的方法很简单，只是最经典、最传统的恒星计数而已。但是因为这个星团所处方向不讨巧，全天最亮的天狼星发出的耀眼光芒可以轻易盖过它，GAIA传感器的动态范围是作出这个发现的关键——虽然GAIA的CCD在指向天狼星这样的明亮目标时同样会遭遇信号饱和，但观测计划却毋须像之前那般彻底回避亮星周边，所以Gaia 1才有机会为人所知。而且这个星团自带一些奇特的性质，首先其年龄有30亿年之老，在已知疏散星团中数一数二，根据现有理论，这样的星团压根就不会维系得如此长久；而且它并不像大多数同类一样靠近银盘，却盘旋于银盘上方很高的地方，再俯冲而下；其内恒星的化学组成更是与银河系（而非外来）恒星相近——从这三个方面来看，它的动力学特征可能与球状星团颇有类似之处，只是现在数据中仍存在不确定性，不好直接下定论。
用掩星板遮住的天狼星以及左侧白色圆圈中的Gaia 1星团。（图片提供：Harald Kaiser）
GAIA的一个重要使命是精确校准恒星的赫罗图，实现这个目标的前提是精确测定从矮星到巨星各种恒星的距离。虽然TGAS的视差误差仍存争议，但已有不止一个研究组借助统计建模方法描绘出了精度空前的颜色-星等关系。随着GAIA巡天的继续，未来天文学家会将类似的手段扩展到更多更好的恒星数据上，最终有望以实际观测结果为基础，从理论上准确预言恒星的特性。
利用GAIA第一年观测结果得到的赫罗图。（图片提供：ESA/Gaia/DPAC/IDT/FL/DPCE/AGIS）
超高速星的辨认、太阳系天体掩星事件的精密预言和监测，还有天地联测……这些都是GAIA带给天文学的机遇。而GAIA的第二批数据预定将于2018年春季发布，其中将提供更多恒星更高精度的坐标和运动信息。可以说，在GAIA天空的照耀下，发现之旅才刚刚开始，更加令人期待的成果将在不久的将来问世。
