空间天体测量的里程碑项目Gaia巡天——上海天文台的参与和贡献
欧空局盖亚（Gaia）空间天体测量卫星项目于北京时间2018年4月25日18:00发布了第二批科学数据（Gaia DR2），迅速引起了近乎整个天文学界的关注。基于新发布的数据，天文学家有望在银河系和太阳系的结构、形成与演化、恒星物理乃至宇宙学和基本物理学等领域获取突破性的结果。作为参与Gaia项目中天体测量工作中国际合作的亚洲唯一单位，中国科学院上海天文台提出方案并编制了归算软件，利用独创的同时性较差观测的原理独立校验，基于Gaia实测的数据解算卫星基本角的变化，与其它监测结果交叉比对，从而核实并独立获得基本角变化，为Gaia最终的科学数据的修正提供重要的基准。
Gaia简介
Gaia卫星，堪称全新一代空间天体测量卫星，旨在精确观测银河系内数以亿计的恒星，从而实现银河系三维勘察，解释银河系的组成、形成和演化。经过500多名国际科研人员历时20多年的艰苦研发，Gaia卫星于2013年12月19日成功发射，进入日地拉格朗日L2点附近工作 (参见图1)。
图1. Gaia卫星的示意图，在其遮阳帆布上方其有两个夹角为106.5度的指向镜，用来测量不同天区天体间的角距离，这种独特设计的目的是为了测量绝对视差。随着卫星自身转动和绕太阳运动，最终基于多年观测数据可解算出这些天体的高精度天体测量参数（赤经、赤纬、绝对视差、自行）。图片来源：ESA
相较于依巴谷，Gaia项目可将天体三维位置（从方向和视差信息获取）和切向速度（从自行数据获取）测量精度提高了约100多倍，等效的角度测量精度达到10微角秒（1角秒等于三千六百分之一角度）水平，如果把依巴谷的测量精度比作从地球能看到月球表面的宇航员高度，那么Gaia的测量精度就相当于从地球能看见月球表面的一枚硬币尺寸。在观测目标上，Gaia也提高很多倍，总观测目标远超过10亿颗天体。有距离精度保证的探测范围将完全覆盖整个银河系。除了此之外，Gaia 还将测量约1.5亿颗亮于17星等的恒星的视向速度信息，综合这些天体的三维位置、三维运动和测光信息将使天文学开启新篇章。
图2：左：银道坐标系下的Gaia dr2 源密度分布图；右：Gaia DR2的星等分布图。图片版权：ESA
上海天文台是参与Gaia项目中天体测量工作的亚洲唯一单位
中国科学院上海天文台是参与Gaia项目中天体测量工作的亚洲唯一单位。2013年2月上海天文台天体测量团组（当时主要成员：齐朝祥、廖石龙、唐正宏、于涌、赵铭等人）代表上海天文台与Gaia数据处理中心之一的意大利都灵天文台签署了在Gaia天体测量数据处理上的正式合作协议，成为Gaia任务天体测量数据处理核心单元CU3的正式成员，并正式介入欧空局空间项目。
据齐朝祥研究员介绍，在Gaia项目前期，双方针对Gaia卫星天体测量数据处理方法、模型和星表构建等内容进行了多次交流合作。“尤其是针对Gaia数据处理中的常规单天天体测量解算问题，我们提出了对Gaia的单天天体测量数据进行快速解算来实时检测观测数据的质量情况的想法，并对不同数据处理模型的解算结果进行了比较，编制了相应的归算软件。”
Gaia卫星上携带了两个望远镜，观测过程中两者指向的夹角（基本角）固定维持在106.5度，通过从两个方向精确测量不同天区天体间的相对位置，可实现天体位置和距离的精确测量。“这一独特设计的成败与否，取决于基本角能否稳定住。根据设计，夹角的变化量不能超过4微角秒。”齐朝祥介绍。
然而，2014年卫星观测试运行期间，监测望远镜指向的星载激光干涉系统显示，基本角存在超出预期的突变、长周期变化以及振幅为1毫角秒的6小时短周期变化等棘手问题。如果不解决超预期的基本角变化问题，整个项目将无法实现预期目标，工程将面临失败的风险。
针对此问题，当时作为双方共同培养的上海天文台博士研究生廖石龙（现为上海天文台助理研究员）在双方导师的指导下，非常出色地完成了《Gaia 短期天体测量数据的重建与分析》 的博士论文。
齐朝祥说：“独立于欧空局其它单位，我们提出一种方案，基于实测的天体数据，利用独创的同时性较差观测的原理独立校验，解算卫星基本角的变化，并与卫星携带的激光干涉监测系统的结果进行交叉对比，核实并独立获得卫星基本角变化的各种周期和振幅数据。而经核实的基本角变化数据是Gaia数据分析处理中心对其最终科学数据进行修正的必备基准数据。” 目前，我们已经将这套方案编制成相应的处理软件，在位于意大利都灵的Gaia天体测量数据处理中心运行，默默地为广大数据用户提供基准服务。这些工作也获得了国内天体测量同行的认可和支持，同时获得了国家自然基金的资助（国家自然基金号：11573054、11703065）。
左：卫星基本角探测器检测到的6小时周期变化；右：上海台团组任意选取的某天观测数据得到的6小时周期振幅的天体测量数据验证结果，横坐标是同时性观测选取条件，纵坐标是6小时周期振幅。这与星载激光干涉结果一致性较好。左图版权：ESA，右图版权：上海天文台
关于Gaia 第二批数据
和HIPPARCOS和Tycho-2星表作为先验值的第一批数据（于2016年9月发布）不同的是，本次释放的Gaia第二批数据完全来源于Gaia在2014年6月25日至2016年5月23日期间共668天的观测数据处理而成。Gaia DR2包含以下内容：
1）总计17亿颗目标的天球位置和Gaia G星等（G波段星等介于3到21等之间）；这里需注意，星表中天体位置和运动数据的时刻是J2015.5使用的空间参考系是ICRS，而非传统的J2000.0平赤道参考系和J2000.0位置时刻。
2）多于13亿颗目标的三角视差（依据视差，可以计算出距离）、自行以及蓝/红测光信息。对于G波段星等亮于15等的天体，视差精度约0.04毫角秒，自行精度约0.06毫角秒/年；对于G波段星等等于17星等的天体，视差精度约0.1毫角秒，自行精度0.2毫角秒/年；对于暗端（G波段星等等于20星等）的天体，视差精度0.7毫角秒，自行精度1.2毫角秒/年；
3）多于700万颗目标的视向速度信息，其中亮端精度达到200-300米/秒，暗端精度约为1.2千米/秒；
4）天体物理参数：1.61亿颗亮于17星等目标的表面温度信息（3000开尔文至10000开尔文）、8700万颗目标的消光、红化信息，7600万颗目标的半径和亮度信息；
5）50万颗变星的光度曲线和分类信息；
6）基于150万次有效观测数据给出14099个太阳系内天体（主要是小行星）的位置和观测历元信息；
7）多于50万颗类星体的位置和Gaia G波段的星等信息，基于这些类星体，Gaia首次创建了微角秒水平的光学波段的天球参考架 GCRF (Gaia Celestial Reference Frame)。
详细信息可参见https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/dr2
科学联系人：
齐朝祥，中国科学院上海天文台，kevin@shao.ac.cn
廖石龙，中国科学院上海天文台，shilongliao@shao.ac.cn
新闻联系人：
左文文，中国科学院上海天文台，wenwenzuo@shao.ac.cn
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