本文发表在《大众科学》的前博客网络中，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
4月25日，从黎明到日落，在咖啡和糕点（随后是牛排和香槟）的驱动下，数十位天体物理学家占领了纽约市中心熨斗研究所的三楼，仔细研究着来自一个注定要永远改变我们对宇宙理解的千载难逢的太空探测器的新鲜数据。大多数科学家聚集在一个狭小的会议室里，对着显示着神秘星象符号的笔记本电脑进行交流，但其他人则分散到整个楼层的分组会议中——或趴在地毯上，或在白板上潦草地写着方程式，偶尔会因为服务器超时或编译器崩溃而咒骂，这些都阻碍了他们成为世界上第一个做出惊人新发现的人的努力。
这个探测器是欧洲航天局的盖亚卫星，这是一项耗资 10 亿美元的任务，于 2013 年发射，旨在以惊人的精度绘制我们星系的地图；新鲜数据来自盖亚发布其第二批数据集。基于 22 个月的观测，新发布的目录收录了惊人的 13 亿颗恒星的位置、运动、亮度和颜色——大约占构成银河系的估计 1000 亿颗恒星的 1%。在最佳情况下，该航天器的测量结果类似于地球观测者辨别月球表面的一枚硬币的位置。
“一扇帷幕已经打开，银河系现在被揭示出来了，”美国自然历史博物馆的天文学家杰基·法赫蒂说，她早上 5 点刚过就到达熨斗研究所，参加该研究所计算天体物理中心 (CCA) 为期三天的会议，深入研究盖亚庞大的数据转储。“今天感觉像是开始了一场将持续我职业生涯剩余时间——或者说，真的直到我去世为止的巨大竞赛。”她说，这里发生的事情是前所未有的。“你可能对星系提出的任何科学问题都将与此数据集相关联。”
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法赫蒂并没有夸大其词。盖亚的第一个数据集在两年前发布，仅包含大约 200 万颗恒星。计划在 2020 年发布另一个版本，最后一个版本将在盖亚任务在 2020 年代某个时候结束后发布。在每次迭代中，其测量结果都会得到改进——特别是关于恒星的“自行”（即它们在天空中移动的速度）及其视差的数据，当从地球绕太阳轨道两侧观察时，它们的位置会发生明显的偏移，其中最近的恒星似乎偏移最大。
通过追踪如此大量的恒星的运动和位置，盖亚不仅揭示了我们星系旋臂和其他结构的新细节，而且还开启了通往银河系先前隐藏时代的大门，这种做法被称为银河考古学。多亏了盖亚，天文学家现在可以回溯我们星系的时间，追踪其 130 亿年历史中的结构和恒星演化。除此之外，他们将能够比以往任何时候都更准确地确定不同类型恒星的诞生地——这项技术甚至可以揭示太阳失散的银河系姊妹星，它们早已从它们诞生的地点分散开来。盖亚最先进的恒星位置计算也将大大改进用于星际飞船导航的星表。
但这仅仅是开始。除了对超过 10 亿颗恒星进行批量测量外，盖亚的最新版本还包括地球附近几千光年范围内 700 万颗恒星的视线速度，揭示了它们在星系中的完整三维运动。此外，它还跟踪了 50 万颗变星的亮度波动，天文学家可以用这些变星来校准“宇宙距离阶梯”的第一步，这使他们能够测量到可观测宇宙的边缘。
在更近的地方，盖亚以比之前的调查高出数百倍的精度确定了大约 14,000 颗小行星的运动，使天文学家能够更好地追踪它们的形成历史并预测它们的未来位置。最后，通过远眺银河系之外，盖亚现在改进了超过 50 万个类星体的位置和亮度数据——类星体是由遥远星系中心的超大质量黑洞吞噬气体和尘埃提供能量的宇宙信标。这个类星体网络提供了一个天体参考框架，以便更好地将我们的太阳系和银河系定位在宇宙景观中。
而且，在大多数太空任务中不常见的选择中，盖亚的科学家没有独家访问该航天器结果的权限，他们必须在数据集发布之前专注于解决数据质量和收集问题。只有现在，当全世界所有人都可以获得数据时，盖亚团队的成员才开始他们自己的分析，并为全球新鲜的科学发现热潮做出贡献。
哥谭的盖亚晚会
“我们将会发现什么，任何人都不敢妄下结论，”纽约大学天体物理学家大卫·霍格说，他组织了 CCA 的活动。“值得一提的是，感谢哥伦比亚大学提供的观测时间，我们实际上可以在发布后的几天内使用 MDM 天文台[亚利桑那州图森附近]的望远镜。这允许我们——以及任何向我们提出请求的人——观察因盖亚的新数据而显得有趣的恒星。”霍格说，他在盖亚数据发布的“零日”的大部分活动都围绕着绘制来自数据的新图形，看看是否有任何引人注目的东西出现。
事实上，在发布（东部时间早上 6 点发生）仅几个小时后，法赫蒂和她的合作者，卡内基研究所的天文学家乔纳森·加涅，已经通过盖亚的精确视差测量获得了新的结果：一个系统可能成为我们理解棕矮星（所谓的“失败的恒星”，介于大型行星和小太阳之间）的罗塞塔石碑。该系统位于地球南部的天空，距离地球约 130 光年，包括一颗棕矮星，它围绕一颗小型红矮星在数千年之久的广阔轨道上运行。反过来，这对恒星属于一个更大的恒星群，该恒星群包含其他棕矮星，有些棕矮星围绕恒星的轨道更近，有些则在太空中自由漂浮。法赫蒂和加涅说，通过比较这三种类型的棕矮星，天文学家可能会破译这些中间物体最初是如何形成的。
旧世界与新世界
盖亚最受期待的结果之一是它可能发现的系外行星。预计该航天器最终会通过观察它们对主恒星的位置和运动产生的明显的引力影响来揭示数千颗气态巨行星（通过类似的观测将发现无数新的双星系统）。
但是，这些发现将不得不等待未来，那时盖亚的读数将达到更高的精度。目前，该任务与系外行星的大部分相关性来自它与美国宇航局的开普勒太空望远镜的协同作用，后者在 2009 年至 2012 年间在天空的一片星光闪耀的区域发现了数千颗行星。CCA 的博士后梅根·贝德尔在盖亚数据发布后的最初几个小时结合了盖亚和开普勒的数据，这将使任何人都可以检查两者之间潜在的联系。她希望利用盖亚关于恒星运动的数据来识别可能共享共同恒星诞生地点的拥有行星的开普勒恒星，然后比较它们的行星系统。“如果从同一个星云一起诞生的恒星具有非常不同的行星系统，那么这可能会告诉我们关于行星形成的新事物，”她说。
与此同时，参加 CCA 活动的哥伦比亚大学博士后露丝·安格斯正在研究盖亚的数据，以了解开普勒的行星系统是如何随着时间变化的。假设年轻的恒星与它们最近形成的银河系盘紧密对齐，并且较老的恒星会因引力相互作用而处于更分散的轨道上，安格斯正在尝试确定开普勒视野中拥有行星的恒星的日期，然后寻找它们的世界分布模式。“每个系统的行星总数可能会慢慢减少，”安格斯说。“行星偶尔会相互碰撞，甚至将彼此从其系统中驱逐出去。然后，我们可能会预计年轻恒星周围的行星平均比老恒星周围的行星多。”截至下午，她的初步结果表明，事实确实如此，这揭示了盖亚数据标记为相对年轻的开普勒恒星周围存在大量的行星。
寻找暗物质和引力波
“盖亚让我们能够在整个天体物理学领域做令人惊叹的新事情，”CCA 主任大卫·斯珀格尔说。“我们现在拥有关于恒星在我们星系及其周围位置的精度高一百倍的数据，以及丰富一千倍的数据，这种更丰富的数据集需要新的计算方法，包括在挖掘和建模数据方面。”在数据集发布后的几个小时内，斯珀格尔与 CCA 博士后基亚拉·明加雷利合作，开始改进对围绕称为毫秒脉冲星的奇异恒星残骸运行的白矮星的距离估计。虽然有些乏味，但这项基础性工作将为未来利用多个脉冲星探测由合并的超大质量黑洞对发出的引力波奠定基础。
斯珀格尔还希望使用盖亚数据来研究暗物质，这是一种神秘的、不可见的物质，它渗透在星系中，并且只能通过它对我们所能看到的恒星和气体云的引力影响来检测。“这可能是一个追踪暗物质在我们整个星系中分布的绝佳工具，但要做到这一点，我们需要能够计算数十亿颗恒星的轨道，这非常具有挑战性，”他说。“实现这一目标将有助于我们了解暗物质是否具有大量的子结构——换句话说，它是否是团块状的。”
在 CCA 活动中分析盖亚数据的天体物理学家可能已经看到了此类团块的迹象。普林斯顿大学的博士后阿德里安·普莱斯-惠兰与哈佛大学的博士后安娜·博纳卡一起，利用这些数据放大了银河系晕中的一个名为 GD-1 的“潮汐流”恒星，银河系晕是一个球形的、相对缺乏恒星的区域，远远超出了银河系盘。人们认为，GD-1 和晕中的其他恒星流是球状星团或矮星系被银河系引力场破坏而解体的遗迹。在很大程度上由于它们缺乏恒星，星系晕也是理论家认为暗物质的引力影响变得占主导地位的地方。盖亚的数据证实并阐明了之前仅在 GD-1 中隐约可见的子结构——主要是河流中一个巨大的缺口，似乎有什么东西咬掉了大量的恒星。
“像这样在恒星流中造成缺口的原因并不多，”博纳卡说。一种可能性是过去与巨型分子云的相互作用，前提是该星流的轨道在某个时刻经过或穿过银河盘。普莱斯-惠兰和博纳卡认为，更吸引人的选择是，缺失的那部分恒星是被银河晕中经过的一团暗物质撕裂的。“这个缺口看起来足够大，也许可以排除分子云假说，尽管我们还没有关于这方面的确切数字，”普莱斯-惠兰说。“如果建模表明这个缺口是由远大于一百万个太阳质量的物体造成的，那么大多数人都不认为巨型分子云能达到那么大。它必须由其他的东西造成。”他们二人正在请求对 GD-1 进行快速后续观测，利用 CCA 协调的 MDM 天文台上的一些可用时间。
新物理学和宇宙的命运
盖亚的数据还可以启发研究人员了解一个更深层次的宇宙谜团：暗能量，一种似乎正在推动宇宙加速膨胀的未知力量。科学家在 1990 年代后期发现了暗能量，当时对遥远星系中爆炸恒星的测量显示，这些星系比之前认为的要远得多——这是宇宙在暗能量驱动下膨胀的迹象。后来对宇宙微波背景（大爆炸的余辉）的测量也暗示了暗能量在早期宇宙中的影响。
但是，那些原始效应的测量值比从现代宇宙中星系研究得出的估计值低约 9%。本质上，即使你考虑了暗能量，宇宙的膨胀速度似乎也比它应该的要快。这种差异似乎微不足道，但它比与每组测量相关的误差大三倍，因此宇宙学家非常重视它。解决这两个相互矛盾的测量结果之间的张力可能会揭示暗能量的真实性质，以及超越自诩的物理学标准模型的新现象，甚至宇宙本身的命运。例如，如果这种张力是暗能量效应随着时间推移而增长的结果，那么宇宙很可能会以“大撕裂”结束，届时时空本身最终会被加速膨胀撕裂。
约翰霍普金斯大学的宇宙学家亚当·瑞斯因共同发现暗能量而分享了 2011 年诺贝尔物理学奖，多年来一直试图解决这种张力，他利用哈勃太空望远镜仔细研究遥远星系中的一些变星，以更好地校准相对局部（而非原始）的暗能量测量值。现在，多亏了盖亚，他获得了数百颗合适的变星的精确测量结果，而不仅仅是少数几颗。“我一直期望盖亚会对局部结果与宇宙微波背景之间的张力产生重大影响，”瑞斯说。
他是在马里兰州的办公室工作，而不是在 CCA 的会议室里，他才刚刚开始分析盖亚的数据集，因此答案仍然难以捉摸，但瑞斯相信确定性可能很快就会到来。“关于这么大的谜团，我很少会说，‘今天我不知道，但明天我就知道了’，”他说。“但我希望盖亚能做到这一点。这个数据集对于我们这些研究这个宇宙学问题的人来说就像圣诞节一样：一份很棒的礼物，包裹好放在树下。在开始拆开它之后，我期待着看看它会说什么。”
而这些只是天体物理学家希望通过盖亚解决的“已知未知”。毫无疑问，还会有“未知未知”会从这颗非凡卫星的观测中展开。经验法则是，每当天文学家获得强大的新望远镜或比以前大指数级的数据块时，就会出现没有人能够预料到的发现。感谢盖亚，这种情况很有可能会再次发生。