Космический аппарат Gaia – обозревая просторы галактики

Наши представления о мироздании менялись в зависимости от того, насколько детально было изучено ночное небо. В древности, когда наблюдения звезд велись только невооруженным глазом, они казались неподвижными и равноудаленными, как будто прикрепленными к огромной прозрачной сфере. Ее так и назвали – «сфера неподвижных звезд». Тем не менее, отдельные ученые предпринимали робкие попытки хотя бы пересчитать это звездное великолепие. Одним из них был древнегреческий астроном Гиппарх Никейский. Его главная заслуга заключается в том, что он не просто вел подсчеты количества звезд, но и с максимально доступной в его время точностью «зафиксировал» их положение на небе в использовавшейся тогда эклиптической системе координат. Вдобавок он предложил все видимые звезды поделить на шесть групп в соответствии с их блеском: самым ярким ученый присвоил первую величину, а самым слабым (на пределе видимости глазом) – шестую.

Научный подвиг Гиппарха по достоинству оценили его потомки 1800 лет спустя. В начале XVIII века знаменитый английский астроном Эдмунд Галлей (Edmund Halley) обратил внимание на то, что положения на небе трех ярких звезд – Сириуса. Арктура и Альдебарана – заметно отличаются от тех, которые в свое время измерил его древнегреческий коллега, при том, что остальные объекты в пределах точности измерений остались примерно «на своих местах». Галлей высказал догадку, что «сдвинувшиеся» звезды – не просто яркие, но и достаточно близкие к Солнцу, благодаря чему их движение мы видим более выразительно. Но если предположить, что относительные скорости этих звезд сравнимы со скоростями планет относительно Земли (а в среднем примерно так оно и оказалось) – это значит, что расстояния до них в сотни тысяч и даже миллионы раз больше!

Впервые измерить межзвездные расстояния смог уже в XIX веке немецкий ученый Фридрих Бессель (Friedrich Wilhelm Bessel), который исследовал слабую двойную звезду в созвездии Лебедя, даже не имевшую традиционного греческого обозначения (до сих пор чаще всего используется ее порядковый номер – 61 Лебедя). Она также из года в год довольно быстро смещалась на фоне еще более слабых звезд, двигаясь не по прямой, а по извилистой линии с периодом отклонений, равным одному земному году. Астрономы поняли, что эти отклонения связаны с обращением нашей планеты вокруг Солнца и отображают годичный параллакс звезды – величину, позволяющую с помощью простых тригонометрических формул вычислить расстояние до нее. По оценкам Бесселя, оно оказалось чуть больше десяти световых лет, что не так уж сильно отличается от современного значения (11,4 светового года). Это открытие, благодаря которому человечество начало осознавать истинные масштабы Вселенной, также стало возможным благодаря совершенствованию техники астрономических измерений.

Как уже было сказано, без помощи оптических инструментов мы можем увидеть звезды примерно до 6-й величины. Любуясь вдалеке от городской засветки звездным небом, можно подумать, что таких светил, по крайней мере, не меньше, чем песчинок на пляже, но на самом деле последних значительно больше (число звезд, видимых невооруженным глазом на всей небесной сфере – порядка 8 тыс.). С появлением телескопа стало ясно, что существуют и более слабые объекты, очевидно, гораздо более многочисленные. Им присвоили значения блеска свыше 6. Мощнейшие современные инструменты позволяют увидеть звезды примерно до 30-й величины.

Однако профессиональных астрономов давно уже интересует не количество звезд, а их точное положение на небе и его изменение со временем. Абсолютное большинство их «проживает» в огромных гравитационно-связанных системах, получивших название галактик. Мы живем в одной из таких систем, известной под названием Млечный Путь (или Галактика с большой буквы). По оценкам астрономов, в ней содержится около 200 млрд звезд. Свыше 70% от этого числа — сравнительно тусклые и маленькие красные карлики, значительно более слабые, чем наше Солнце: даже в большие телескопы мы можем наблюдать подобные звезды только в непосредственной близости, в радиусе нескольких сотен световых лет. Изредка встречаются и огромные яркие светила. Такие объекты хорошо видны с больших расстояний. Между прочим, большинство звезд видимых невооруженным глазом, значительно мощнее Солнца, в то время как из 70 ближайших звезд, расположенных от нас не более чем в 17 световых годах, без телескопа или бинокля мы можем увидеть только 9. Все это свидетельствует о том, что наши представления о Вселенной очень сильно зависят от результатов наших наблюдений.

Выше уже было описано, какую пользу могут принести науке систематическое изучение звездного неба и составление каталогов небесных объектов. Звездный каталог – фактически таблица со сведенными данными о звездах. В каталогах может указываться самая разнообразная информация: например, кроме координат, обычно приводится блеск, реже – спектр. Некоторые специализированные каталоги могут хранить сведения о физических свойствах звезд (их температуре, массе, размерах и многом другом). Упомянутый выше Гиппарх был одним из первых, кто составил звездный каталог на основании как собственных наблюдений, так и наблюдений своих предшественников. Позже этим знаниям нашлось и более «приземленное» применение: сейчас они используются для создания фундаментальной системы координат и службы времени – координаты на местности, время на часах и дата в календаре определяются по измерениям положений звезд на небе.

Со временем звездные каталоги становились все объемнее, их составление требовало огромной кропотливой работы и новых специальных астрономических инструментов. Изобретение телескопа совершило революцию в астрономии, позволив изучать более слабые звезды и определять их положение с намного большей точностью.

Однако уже в начале XX века ученые столкнулись с, казалось бы, неустранимым препятствием. Дело в том, что мы смотрим на небесные тела сквозь толщу земной атмосферы, которая никогда не бывает абсолютно стабильной: на разных высотах в ней постоянно дуют ветра и возникают прочие возмущения, влияющие на ход световых лучей и «размазывающие» изображения звезд в колеблющиеся пятнышки размером не менее одной десятой угловой секунды (как правило – заметно крупнее). Путем усреднения результатов большого количества наблюдений можно получить точность астрометрии порядка 0,01-0,02 угловой секунды, но для наземных инструментов это предел.

Проблема была решена с наступлением космической эры, когда астрономы получили возможность разместить телескопы за пределами атмосферы. 8 августа 1989 г. запущенная с космодрома Куру во Французской Гвиане ракета-носитель Ariane 4 вывела на вытянутую околоземную орбиту с апогеем 35,8 тыс. км созданный специалистами Европейского космического агентства спутник HIPPARCOS (High Precision PARallax Collecting Satellite). Результатом четырех лет его работы стало создание каталога из 118 тыс. звезд с невероятной на тот момент точностью – погрешность в определении координат составила порядка 0,001 угловой секунды, что в десятки раз лучше любых предыдущих наземных измерений. С таким разрешением мы смогли бы разглядеть монетку на расстоянии тысячи километров.

Успех миссии HIPPARCOS сподвиг европейских ученых на создание нового уникального проекта, получившего название Gaia. Его главной задачей является определение координат объектов до 20-й звездной величины с точностью на порядок более высокой, чем в каталоге HIPPARCOS. Для звезд до 10-й величины погрешность измерения координат должна составить 10 в минус 5 степени угловой секунды, что соответствует видимому размеру монеты на Луне при наблюдении с Земли. С такой же точностью будут определены и параллаксы. После завершения миссии Gaia мы узнаем расстояние до всех ярких звезд нашей Галактики. Для слабых звезд указанные параметры измерить сложнее, поэтому «сфера деятельности» телескопа в основном ограничивается тысячей световых лет от Солнца.

Все объекты в Галактике постоянно движутся: например, наше светило обращается вокруг центра Млечного Пути с линейной скоростью более 200 км /с . Как результат, звезды не находятся все время в одном положении на небе – они смещаются, или, как говорят астрономы, имеют собственные движения. Поэтому результатом миссии Gaia, кроме координат и параллаксов, будет и каталог собственных движений звезд. Точно измеряя их положения в разные моменты времени и зная расстояния до них, мы сможем вычислить проекцию их скоростей на небесную сферу. Чтобы определить направление движения звезды в трехмерном пространстве, не хватает только одного параметра – скорости ее приближения или удаления (так называемой лучевой или радиальной скорости).

Для этого на борту Gaia установлен специальный спектрометр, который по смещению спектральных линий вследствие эффекта Доплера позволяет вычислить этот параметр. Правда, надежные измерения этот прибор может выполнить только для относительно ярких звезд, для слабых лучевые скорости определить не удастся. Тем не менее, ожидаемое количество исследованных объектов должно превысить сотню миллионов – на два порядка больше, чем астрономы уже изучили. В качестве основной задачи миссии Gaia было заявлено определение точного положения и расстояния до более чем миллиарда звезд что составляет около полупроцента всех звездообразных объектов Млечного Пути. В это число попадает большинство ярких и массивных светил нашей звездной системы и ближайших галактик (Большого и Малого Магеллановых Облаков), а также шаровые скопления в галактическом гало. Почти неохваченными остаются маленькие тусклые звезды типа красных карликов и объекты, находящиеся за большими темными пылевыми облаками, свет от которых не может быть зарегистрирован наблюдателями, находящимися в окрестностях Солнца.

Вдобавок новый телескоп должен измерить точные положения множества астероидов и кометных ядер, что позволит уточнить их орбиты и спрогнозировать вероятность их столкновения с Землей. Ожидается открытие тысяч малых тел Солнечной системы. Особенно интересуют астрономов представители группы Атиры. Траектории астероидов этой группы пролегают внутри земной орбиты, соответственно они всегда находятся ближе к Солнцу, чем наша планета. Такая конфигурация значительно усложняет их поиски и изучение с помощью наземных инструментов, поскольку большую часть времени они проводят на небе рядом с Солнцем и теряются в его лучах. Вместе с тем объекты этой группы являются потенциально опасными, поэтому детальные исследования эволюции их орбит в данном контексте очень важны.

Этапы миссии

Идея миссии Gaia появилась, как уже было сказано, после завершения проекта HIPPARCOS в 1993 г. Спустя семь лет она вошла в список программ Европейского космического агентства, а в 2006 г. были назначены основные исполнители. Часто большим научным проектам требуются многие годы длительного и упорного труда для их осуществления. К счастью, этот проект был поддержан и профинансирован (его общая стоимость оценивается в 740 млн евро, включая разработку, запуск, обслуживание и обработку полученных результатов), в его реализации участвуют сотни астрономов по всему миру, десятки обсерваторий и научных организаций.

Ракета-носитель «Союз-СТ» с разгонным блоком «Фрегат» и космическим аппаратом Gaia стартовала с космодрома Куру 19 декабря 2013 г. Спустя три недели аппарат занял рабочую позицию в точке Лагранжа L2, лежащей в 1,5 млн км от Земли в направлении, противоположном Солнцу.

Масса аппарата — около двух тонн, включая 710 кг полезной нагрузки и примерно 400 кг топлива для бортовых двигателей. Для выполнения своих научных задач Gaia оснащен двумя специально сконструированными многозеркальными телескопами с размерами первичных зеркал 1,45×0,5 м. Главные зеркала расположены под углом 106,5° и фокусируют изображение на общем чувствительном элементе, что позволяет измерять угловое расстояние между звездами на небе с высокой точностью. Камера состоит из 106 ПЗС-матриц размером 4500×1966 пикселей, общий ее размер — 1×0,5 м (суммарно около 940 мегапикселей), что делает ее самой большой камерой, когда-либо запущенной в космос. За пять лет работы каждое исследуемое небесное тело должно быть сфотографировано в среднем 70 раз. Телескопы одновременно осуществляют сканирование неба и регистрируют все объекты, которые попадают в их поле зрения – как принадлежащие Солнечной системе и Млечному Пути, так и внегалактические. В силу последнего обстоятельства ученые надеются составить самый объемный каталог квазаров — активных ядер далеких галактик. Некоторые квазары сейчас используются для построения фундаментальной системы координат. Таким образом, наблюдения нового инструмента помогут улучшить точность определения координат на Земле.

Кроме точных измерений положения (ученые надеются, что точности Gaia будет достаточно, чтобы измерить небольшие колебательные движения некоторых звезд, вызванные гравитационным влиянием их планетоподобных спутников), камера телескопа способна регистрировать изменения блеска наблюдаемых объектов. Хоть это и не является главной задачей проекта, но в рамках миссии планируется обнаружить и исследовать сотни тысяч переменных звезд, тысячи вспышек новых и сверхновых. Данные обо всех выявленных нестационарных объектах публикуются на специальной интернет-странице миссии Gaia, чтобы позже провести их более детальные исследования при помощи специализированных наземных телескопов. Результаты таких наблюдений также попадают в базу данных проекта с целью их дальнейшего объединения и унификации.

Первые результаты

В первый выпуск каталога Gaia, опубликованный 14 сентября 2016 г., вошли результаты наблюдений, выполненных за первые 14 месяцев работы аппарата – в частности, положения и звездные величины более чем 1,1 млрд звезд кривые блеска свыше 3 тыс. переменных звезд и точные положения около 2 тыс. квазаров, с помощью которых строится фундаментальная система координат.

Второй выпуск каталога, вышедший 25 апреля 2018 г., содержит данные, собранные за 22 месяца наблюдений. Главным достижением стало измерение положения и блеска 1 692 919 135 звезд. Для 1,3 млрд объектов были определены цвет, собственное движение и параллакс, для более чем 161 млн звезд измерены температуры поверхностей, для почти 77 млн оценены размеры и полные мощности свечения. Лучевые скорости вычислены для 7 млн светил. Также во второй выпуск вошли более 500 тыс. кривых блеска переменных звезд. Огромное количество новых данных обрабатывают ученые многих стран. Фактически после публикации второй редакции каталога Gaia человечество впервые ознакомилось с трехмерной картой нашей части Галактики.

Появление третьего выпуска каталога Gaia ожидается в 2020 г. В нем должны быть улучшены точности определения координат и блеска звезд добавится информация о двойных и кратных звездных системах, будут измерены лучевые скорости для всех непеременных звезд. Ученые собираются провести более детальный анализ и классификацию наблюдаемых объектов.

Наконец после завершения миссии Gaia должен быть опубликован финальный выпуск каталога (возможно, ему будет предшествовать промежуточный четвертый выпуск). В нем специалисты хотят собрать всю наиболее точную астрометрическую и фотометрическую информацию, каталоги всех выявленных переменных, двойных и кратных звезд все полученные данные об астероидах, квазарах и галактиках. Также появится отдельный каталог экзопланет, открытых космическим аппаратом.

Следует отметить, что проделанная работа и дальнейший анализ данных чрезвычайно сложны: в ходе него астрономы сталкиваются С новыми явлениями, приходится принимать во внимание факторы, которые ранее никогда не влияли на процесс обработки наблюдений. Например, нужно учитывать гравитационное влияние тел Солнечной системы: оказалось, что искривление пространства в окрестностях Юпитера достаточно велико, чтобы лучи света от далеких звезд проходящие вблизи планеты, изменяли свое направление, а видимые положения этих звезд сдвигались относительно истинных. Таким образом, высокая точность измерений координат позволит ученым лишний раз проверить Общую теорию относительности.

Межзвездная среда заполнена очень разреженным газом (в основном водородом), но местами в ней встречаются относительно плотные газово-пылевые облака. Иногда плотность вещества е них такова, что они не пропускают излучение оптического диапазона, и тогда на фоне множества неярких звезд мы видим темные силуэты, самые выразительные из которых называют «угольными мешками». Особенно много таких темных туманностей в главной плоскости нашей Галактики и в направлении на ее центр, поэтому мы практически не регистрируем сеет от звезд расположенных за центральным галактическим сгущением (балджем). Точные наблюдения на различных длинах волн позволяют установить величину поглощения света в разных направлениях. Одним из результатов миссии Gaia стала весьма детальная трехмерная карта распределения поглощающей материи в Млечном Пути, благодаря чему мы можем оценить, сколько пыли в нашем «звездном доме».

Астрономы разработали много методов измерения расстояний между объектами во Вселенной, но абсолютное большинство из них основывается на умении измерять параллаксы. Повышение точности таких измерений приведет к уточнению иных, косвенных методов, а значит – поможет улучшить оценки расстояний в широких пределах, вплоть до межгалактических.

Даже предварительные результаты, представленные в первых выпусках каталога Gaia. позволяют предсказать положение звезд нашей Галактики на тысячи лет вперед. Моделирование показывает, как будут двигаться относительно яркие звезды и как изменятся очертания созвездий. Но одно впечатляющее открытие следует отметить особо: космический телескоп доказал существование так называемых сверхбыстрых звезд.

В пределах Млечного Пути открыты сотни объектов, скорости которых значительно превышают характерные для «нормальных» звезд – иногда они достигают значений более 1000 км/с. Такие звезды не могут быть удержаны гравитацией нашей Галактики и со временем покинут ее. По оценкам ученых, общее количество подобных объектов в нашей звездной системе составляет порядка тысяч. Вероятнее всего, сверхбыстрые звезды возникают при взрывах сверхновых в двойных системах или при участии сверхмассивной черной дыры в галактическом центре, чье гравитационное воздействие играет роль своеобразной катапульты. Также не исключено ускорение в плотных шаровых скоплениях или рядом с двойными черными дырами Весьма вероятно, что некоторые сверхбыстрые звезды прилетели к нам из соседних галактик (по крайней мере, в отношении одной из них предварительное моделирование по данным наблюдений Gaia показывает, что это действительно так). Астрономы продолжают изучение этого интересного феномена.

Успех миссии Gaia определит будущее науки на десятилетия. В каком-то смысле она станет «Святым Граалем» современной наблюдательной астрономии. Анализом и осмыслением наблюдений телескопа ученые всего мира будут заниматься еще не один год. Огромный объем полученных данных позволит не только выяснить закономерности в развитии звезд и нашей Галактики в целом, но также даст возможность выявить (и в дальнейшем изучить) новые, доселе неизвестные экзотические объекты нашей Вселенной. Результаты миссии не потеряют ценности спустя многие годы, когда будут реализованы новые, более масштабные программы, поскольку наблюдения Gaia позволят проследить эволюцию объектов, изменения их физических и динамических параметров. В настоящее время космический аппарат Gaia находится в хорошем состоянии и продолжает свою работу, но и уже полученная информация, безусловно, оправдала все затраты на реализацию проекта.