搭载十亿像素相机的“盖亚”探测器成功发射

“盖亚”探测器（Global Astrometric Interferometer for Astrophysics，GAIA）于当地时间2013年12月19日9时12分在法属圭亚那太空中心搭乘俄罗斯的“联盟”号火箭发射升空。

GAIA由欧洲空间局（ESA）负责研制，质量为2t，耗资20亿英镑，工作在可见光谱段，进入轨道后圆形遮阳板展开直径约11m。GAIA运行在第二拉格朗日点（L2）的“李萨如”轨道（Lissajous Orbit）上，该轨道是天体观测中一个较为理想的轨道，拥有非常稳定的热环境，可获得比较高的观测效率，并且环境辐射量较低。

按照计划GAIA任务将历时5年，可观测到星等最暗为20等的天体，并绘制一个包含约10亿颗或银河系1%恒星的三维星图。GAIA的目标包含：

1）测量银河系内10亿颗恒星的位置、距离以及每年的自行运动量；

2）探测上万个系外行星系统；

3）寻找运行在地球和太阳之间区域的阿波希利型小行星（Apohele Asteroids）。因为该区域总是被强烈的阳光所照射，很难用地基望远镜进行观测监视；

4）探测50万颗遥远的类星体（Quasar）；

5）对阿尔伯特・爱因斯坦的广义相对论进行更加精确的测量。

GAIA的组成如图1所示，可分为两部分：有效载荷部分和控制服务部分。有效载荷部分由两架望远镜、焦平面和相关电子设备组成。两架望远镜的主镜尺寸为1.45m×0.5m，指向成106.5°夹角。每架望远镜的光路由M 1~M 6共6块高稳定SiC材料镜面组成，其中M 1~M 4是独立的，M 5~M 6是共用的。每架望远镜的视场为0.45m2，聚光面积为0.725m2，焦距为35m，后面加有光束合成器和转向镜以使得光束聚焦到CCD上。2个望远镜投影的1.0m×0.5m焦平面阵列由106个4 500×1 966像素的CCD组成。按计划GAIA将在5年内对每个对象观测大约70次，以获得其精确位置、距离、运动和亮度变化。控制服务部分包括机械设备、结构部件、电子设备和热设备。

图1 GAIA组成示意

GAIA包含3个各自分离的共用望远镜和焦平面的探测设备：

1）天文测量仪（Astrometric instrument，ASTRO），测量视星等为5.7~20等之间恒星的角位置。

2）光度仪（Photometric Instrument，BP/RP），可测量视星等为5.7~20等恒星发出的320~1 000nm谱段的光谱，蓝色和红色分光光度计用来确认恒星状态，如表面温度、质量、年龄、组成元素等。

3）径向速度光谱仪（Radial Velocity Spectrometer，RVS），在波段847~874nm（钙离子线）观测视线上最暗为17等的天体，取得其高分辨率光谱以测定天体径向速度。在V波段11.5等时分辨率可达1km/s，17.5等时则为30km/s。径向速度的测量对于修正视线方向加速度非常重要。

GAIA的优异之处在于其搭载了被称为“十亿像素阵列”的超级相机，被喻为“盖亚之眼”，是欧空局打造的数字成像系统，拥有前所未有的观测分辨率，科学家试图通过GAIA的超级相机绘制银河系的三维地图，并揭示星系的组成结构、形成以及未来的演化。

“十亿像素阵列”相机探测器由英国E2V技术公司开发，器件稍小于一张信用卡，每个器件的尺寸为4.7cm×6cm，但其厚度不及人的头发丝。拼接完成后的模块上CCD排列成7列，如图2所示。主阵列包括102块CCD器件，将用于暗弱星光的探测，其余4块则将负责校验每台望远镜的成像质量，以及2台望远镜之间是否保持了106.5°的张角。为了提高探测精度，飞船在运行过程中必须维持~110°C的低温。GAIA“十亿像素阵列”相机的支撑设备采用了SiC材料，对于温度变化较为剧烈的环境有极强的耐受力和韧性。

图2 拼接完成后的相机探测器阵列