Телескоп Gaia: предварительные результаты работы

Gaia — беспрецедентная космическая миссия, главной целью которой является составление трехмерной карты значительной части Млечного Пути, а также изучение процессов его формирования и эволюции. Специально созданный космический аппарат с недостижимой ранее точностью измерит лучевые скорости примерно миллиарда звезд (около одного процента всего «звездного населения» Галактики), а также зарегистрирует положение каждой из них на небе и его изменение со временем.

Уже с древнейших времен человек начал осознавать тот факт, что выяснить, как устроен окружающий мир, можно, научившись определять расстояния до небесных светил. Постижение истины продолжалось много столетий, да и сейчас мы не знаем многих подробностей о нашем «космическом доме» — спиральной галактике по имени Млечный Путь… не говоря уже о более далеких звездных системах, свет от которых идет к нам миллионы и миллиарды лет.

А для того, чтобы узнать расстояние до небесных объектов, необходимо как можно точнее определить их видимые положения в различные моменты времени. С этой целью 19 декабря 2013 г. Европейским космическим агентством (ESA) был запущен специальный астрометрический телескоп Gaia. Каковы же предварительные результаты его работы?

Телескопы

Телескоп Gaia работает около точки Лагранжа L2 системы «Солнце-Земля», на расстоянии 1,5 млн км от нашей планеты в противосолнечном направлении. Он проводит исследования звезд и других астрономических объектов по мере своего вращения вокруг оси, обозревая круговые полосы неба, постепенно сдвигающиеся в ходе его движения по орбите.

С момента начала выполнения научной части программы было проведено 272 млрд астрометрических измерений, 54,4 млрд оценок блеска, получено 5,4 млрд спектров. Для обработки и анализа данных Gaia требуются огромные усилия многих ученых и разработчиков программного обеспечения, разбросанных по всей Европе, которые объединены в консорциум DPAC (Gaia’s Data Processing and Analysis Consortium).

Обсерватория Gaia на самом деле состоит из двух телескопов. Они включают в себя десять зеркал различных форм и размеров для фокусировки света звезд и направления его на научные инструменты.

Каждый из телескопов имеет главное собирающее зеркало прямоугольной формы площадью около 0,7 м² (такая форма выбрана с целью наиболее эффективного использования ограниченного пространства внутри аппарата). Хотя по сравнению со многими наземными телескопами их размеры и невелики, Gaia имеет большое преимущество — она ведет наблюдения из космоса, где нет атмосферных помех, «размывающих» изображения.

Диаметр основного блока обсерватории составляет 3,5 м (исключая «зонтик» диаметром около 10 м). Три вогнутых зеркала фокусируют свет, а три плоских зеркала неоднократно его отражают — таким образом, прежде чем достичь детекторов, он преодолевает расстояние более 35 м. Каждый из трех научных инструментов использует для регистрации падающего на него звездного света набор цифровых детекторов — приборов с зарядовой связью (ПЗС-матриц). Вместе взятые, эти ПЗС представляют собой самый большой электронный приемник изображений, когда-либо летавший в космос: они состоят из миллиарда пикселей, занимающих площадь 0,38 м².

Прежде чем начать научные наблюдения, аппаратуру следовало привести в рабочее состояние, и в первую очередь — осуществить ее калибровку. С этой целью был получен тестовый снимок молодого звездного скопления NGC 1818 в соседней галактике Большое Магелланово Облако. Время экспозиции изображения, занимавшего менее 1% всего поля зрения Gaia, составило 2,85 секунды.

Конструкция обсерватории оптимизирована для получения точных координат звезд. Поскольку первичные зеркала ее телескопов — не круглые, а прямоугольные, для лучшей совместимости изображений небесной сферы с принимающей аппаратурой пиксели в фокальной плоскости детекторов Gaia также прямоугольные. Чтобы добиться регистрации как можно более слабых звезд, на основной камере не используются светофильтры.

Научные задачи

Основная цель миссии Gaia заключается в сборе данных об одном миллиарде звезд, входящих в состав нашей Галактики и ее ближайших соседей, с целью построения наиболее точных объемных карт Млечного Пути, а также получения ответов на вопросы о его происхождении и эволюции. Ожидается, что попутно космической обсерваторией будет найдено до десяти тысяч планет за пределами Солнечной системы, а внутри нее — сотни тысяч астероидов, комет и, возможно, далеких объектов пояса Койпера и Облака Оорта. Миссия также потенциально сможет выявить десятки тысяч коричневых карликов (звездоподобных объектов, массы которых недостаточно для «запуска» в их недрах термоядерных реакций), сотни вспышек новых и сверхновых звезд, и дополнительно в очередной раз проверить Общую теорию относительности Эйнштейна.

Наша Галактика имеет форму диска, в котором свыше ста миллиардов звезд образуют спиральную структуру вокруг центрального сгущения (балджа). Многие звезды возникли и эволюционировали внутри нашего «звездного дома», другие — в небольших галактиках, которые впоследствии были им поглощены. Поскольку каждый небесный объект сохраняет что-то из той эпохи, во время которой он сформировался, Gaia проведет «перепись» координат исследуемых звезд, их собственных движений, видимого блеска и цвета, что позволит астрономам кропотливо «собрать по частям» историю нашей Галактики.

Когда звезды возникают из облаков межзвездного газа, они, естественно включают в свой состав содержащиеся в нем химические элементы. Затем они «перерабатывают» это вещество в своих недрах и в конце активного жизненного цикла выбрасывают в космическое пространство, обогащая Галактику новыми, более тяжелыми элементами, которые «усваиваются» следующими поколениями светил. Обсерватория сможет различить эти поколения — по существу, с ее помощью астрономы восстановят «генеалогическое древо» Млечного Пути.

Gaia в состоянии обнаружить движения звезд в пространстве. Зная их нынешние положения и направление движения, астрономы смогут выделить семейства объектов, которые могли когда-то принадлежать другим галактикам, в прошлом расположенным вне нашего Млечного Пути, но затем поглощенных им.

Первые итоги

В галактическом диске сосредоточено большинство объектов нашей звездной системы — структуры диаметром примерно 100 тыс. световых лет и толщиной около 1000 световых лет.

Этот диск, наблюдаемый «изнутри», виден как яркая полоса, опоясывающая небо по большому кругу, на фоне которой хорошо просматриваются темные области — плотные межзвездные газово-пылевые облака, поглощающие свет более далеких звезд в оптическом диапазоне. За пределами Галактики объектов видно немного. Особенно выделяются Большое и Малое Магеллановы Облака — две карликовые галактики, считающиеся спутниками Млечного Пути (видны в правой нижней части итогового изображения).

Написание «галактической истории» анонсировано в качестве одной из главных и наиболее амбициозных задач миссии, однако в ее решении астрономы продвинулись пока не очень далеко, поскольку для этого требуется обработать огромные массивы информации, одновременно сопоставляя ее с более ранними данными. В конце 2016 г. была представлена «первая звездная карта Gaia», базирующаяся на результатах работы обсерватории.

Поиски астероидов

Большой интерес для широкой общественности представляет обнаружение астероидов, потенциально способных столкнуться с Землей, и оценка степени их угрозы для нашей планеты. Благодаря беспрецедентной чувствительности и возможности регистрации движущихся объектов Gaia должна выявить десятки тысяч астероидоподобных тел, в том числе и таких, орбиты которых пролегают поблизости от земной. Обработка данных обсерватории позволит найти множество новых объектов в главном поясе астероидов между Марсом и Юпитером и во внешних областях Солнечной системы.

Gaia также уделит немало внимания уже известным астероидам (как минимум двум сотням тысяч, которые попадут в его поле зрения): будут определены их координаты и скорости, вычислены более точные элементы орбит, уточнены физические параметры.

Поиски астероидов с момента открытия первых объектов данного класса ведутся благодаря их быстрому движению на фоне звездного неба (поскольку все эти тела находятся к нам намного ближе, чем звезды). Они присутствуют на снимке определенного поля, но не видны в той же области, запечатленной в другое время.

Сотрудники группы сопровождения Gaia разработали специальное программное обеспечение для выявления таких «лишних» звезд.

По данным, Gaia смогла открыть свыше тысячи новых астероидов. Иногда для этого использовалась интересная техника, базирующаяся на том факте, что космический аппарат работает в полутора миллионах километров от Земли: тот же участок неба в то же время фотографировался чувствительными наземными телескопами, для которых астероиды из-за эффекта параллакса располагались немного в другой позиции, что давало возможность не только сразу их идентифицировать, но и с хорошей точностью определить расстояние до них. Для 30 объектов были точно измерены физические характеристики (в частности, масса определялась по величине гравитационных возмущений, вносимых ими в движение более мелких тел астероидного пояса, «пролетавших» неподалеку). Об открытиях потенциально опасных для нашей планеты астероидов пока не сообщалось.

Взрывы и вспышки звезд

Один из возможных сценариев окончания жизненного цикла звезды — гравитационный коллапс, результат которого наблюдается как ярчайшая вспышка (взрыв Сверхновой). Ожидается, что на протяжении пяти лет работы Gaia обнаружит десятки тысяч сверхновых в далеких галактиках, причем некоторые — еще до того, как они достигнут наибольшего блеска. Такие открытия очень важны: благодаря им можно будет существенно уточнить шкалу межгалактических расстояний. Часто взрывы сверхновых проходят для астрономов незамеченными, либо их наблюдают лишь спустя значительное время после максимума блеска. Однако лучше всего начать наблюдать их «на подходе» к максимуму, чтобы успеть заметить, как они увеличивают свою видимую яркость, потому что ее максимальное значение является основным параметром для определения расстояний. Знание же точных расстояний до галактик вместе с информацией о скорости их удаления от наземных наблюдателей позволит ответить на вопрос, долго ли будет продолжаться расширение Вселенной и как в будущем изменятся его темпы.

Мощное космическое событие, получившее обозначение Gaia14aaa, произошло в далекой галактике, расстояние до которой составляет около 500 млн световых лет. Оно было выявлено благодаря существенному увеличению блеска объекта между двумя наблюдениями, разделенными интервалом в один месяц.

Обсерватория Gaia в течение года сканирует все небо 14 раз, так что каждая из примерно миллиарда звезд, данные о которых будут помещены в предполагаемый каталог, должна быть сфотографирована в среднем 70 раз на протяжении пяти лет.

Первая аномалия в виде внезапного всплеска излучения, исходящего от далекой галактики, была обнаружена 30 августа 2014 г. Когда Gaia впервые «просмотрела» этот объект месяцем ранее, галактика выглядела гораздо более тусклой. Ученые сразу высказали подозрение, что это могла быть вспышка сверхновой, но открытие следовало подтвердить. В качестве еще одной версии называлось быстрое поглощение большой массы вещества черной дырой в центре галактики. Однако положение источника излучения Gaia14aaa немного не совпадало с галактическим ядром, что снижало вероятность его связи с центральной черной дырой.

Для окончательного ответа с помощью инструментов Gaia были получены спектры объекта. Оказалось, что его голубая часть значительно ярче красной, что характерно для вспышек сверхновых типа Ia. К тому же у Gaia14aaa были обнаружены спектральные признаки химических элементов тяжелее железа (железом завершается синтез элементов в недрах звезд в ходе их «стандартной» эволюции).

Сверхновые бывают двух типов, и их различие кроется в причинах, породивших взрыв. Тип Ia представляет собой результат термоядерного взрыва внешних слоев белого карлика после «пополнения» их веществом (в основном водородом), перетекающим с другой звезды, вместе с которой этот карлик образует двойную систему. Именно этот тип сильнее всего интересует астрономов: поскольку такие взрывы происходят при очень близких начальных условиях, их физические характеристики — в частности, абсолютная яркость в максимуме — также оказываются почти одинаковыми, что позволяет, зная максимальный видимый блеск источника вспышки, определить расстояние до него.

Второй тип сверхновых возникает, как уже упоминалось, при «предсмертном» гравитационном коллапсе звезд, в несколько раз превышающих по массе Солнце.

Чтобы подтвердить характер Gaia14aaa, астрономы дополнили данные космической обсерватории наблюдениями наземных инструментов — в частности, 2,5-метрового телескопа Ньютона (INT) и автоматизированного телескопа, управляемого из британского Ливерпуля. Оба они расположены на острове Ла Пальма в Канарском архипелаге (Испания).

Спектр с высоким разрешением, полученный INT 3 сентября, не только подтвердил, что взрыв соответствует сверхновой типа Ia, но также позволил сделать оценку расстояния до нее и доказать, что вспышка произошла именно в той галактике, в которой была замечена (не дальше и не ближе к нам).

Первое открытие сверхновой астрометрической обсерваторией, согласно конвенции для обозначения переменных астрономических источников, получило индекс Gaia14aaa (первая часть — код наблюдателя, далее — последние две цифры года открытия и сочетание букв, отображающее его порядок в указанном году).

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела

За год с небольшим с помощью Gaia удалось измерить параллаксы двух миллионов звезд.

Параллакс обусловлен видимым изменением положения объекта на фоне более далеких звезд из-за перемещения наблюдателя. Gaia может его зарегистрировать, так как движется по орбите вокруг Солнца — таким образом, величина «сдвига» обсерватории в пространстве за полгода превышает 300 млн км. Кроме параллактического смещения, положение наблюдаемой звезды меняется из-за ее собственного движения, которое необходимо знать, чтобы вычислить пространственную скорость. Напомним, что собственные движения открыл в 1718 г. известный английский астроном Эдмонд Галлей (Edmond Halley), обнаружив, что современные ему положения нескольких ярких звезд заметно отличаются от тех значений, которые были определены древнегреческим астрономом Гиппархом двумя тысячелетиями ранее.

Звезда с наибольшим известным собственным движением имеет имя (правда, официально не утвержденное) — «звезда Барнарда».10 Она перемещается по небу со скоростью 10,3 угловых секунд в год, то есть расстояние, эквивалентное видимому диаметру диска Луны, она преодолевает за 180 лет. Все остальные звезды имеют меньшие годичные собственные движения, как правило, не превышающие угловой секунды.

Gaia провела в среднем около 14 измерений положений каждой звезды на небе, но этого пока недостаточно, чтобы разделить параллаксы и собственные движения. С этой целью планируется довести число измерений до 70. Пока ученые объединили данные Gaia с координатами звезд, содержащимися в каталоге Tycho-2 (составленном на основе данных, полученных между 1989 и 1993 гг. предшественником Gaia — спутником HIPPARCOS). Поэтому число результатов по собственному движению также пока ограничено двумя миллионами объектов.

Очевидно, что чем ближе звезда к Солнцу, тем больше ее параллакс; таким образом, параллаксы звезд могут использоваться для определения расстояний до них. Зная точное расстояние до звезды и измерив ее наблюдаемую яркость (с поправкой на поглощение света межзвездной пылью), можно узнать ее истинный блеск, то есть перевести видимую звездную величину в абсолютную, а затем определить светимость — количество энергии, излучаемое за единицу времени.

Астрономы сопоставили абсолютные звездные величины M (или соответствующие им светимости L) и температуры звезд, которые оцениваются по их цвету, характеризуемому показателем цвета C, чтобы построить диаграмму Герцшпрунга-Рассела, названную в честь двух выдающихся ученых начала XX века Эйнара Герцшпрунга и Генри Рассела (Ejnar Hertzsprung, Henry Russell). Именно им принадлежит идея о том, что такая диаграмма может использоваться как инструмент для изучения звездной эволюции.

Точки, построенные в координатной сетке (M,С), заполняют вполне определенные характерные области. Большинство точек распределено вдоль диагонали, проходящей из верхнего левого угла в правый нижний. Это так называемая главная последовательность (ГП). Она соответствует звездам, в ядрах которых происходит термоядерное «горение» водорода — фаза, составляющая большую часть времени активного существования светил. В этой последовательности звезды с большей светимостью обладают и большими массами, причем последняя уменьшается сверху вниз вдоль диаграммы.

Большое скопление точек в правой половине графика соответствует красным гигантам — бывшим звездам ГП, почти исчерпавшим водород и начавшим «сжигать» более тяжелые химические элементы (главным образом гелий). По мере уменьшения запасов водорода звездные ядра сжимаются под действием силы тяжести, постепенно повышая свою температуру, а их внешние части, наоборот, расширяются, формируя протяженную относительно холодную оболочку.

Обработка данных Gaia о цвете и светимостях звезд, полученных за первый год работы, еще не завершена, но уже сейчас ученые могут сказать, что полученная информация содержит много новых сведений о процессах звездной эволюции.

Спектральные наблюдения

Поскольку Gaia проводит повторное сканирование неба для измерения движений звезд, она в состоянии зарегистрировать изменение яркости объектов. Обсерватория уже обнаружила сотни переменных источников (в том числе упомянутую Сверхновую Gaia14aaa). Было замечено, что один из источников испытал внезапное увеличение блеска в пять раз. Это оказалась так называемая «катаклизмическая переменная» — система из двух звезд, в которой на горячий белый карлик неравномерно падает вещество его «нормального» спутника. Когда происходит поглощение массивных сгустков вещества, наблюдаются вспышки света. Система вдобавок оказалась затменно-двойной: в ней звезда больших размеров проходит перед значительно более компактным, но достаточно ярким белым карликом, периодически заслоняя его от наземных наблюдателей.

Выяснилось, что объекты в этой системе содержат много гелия и мало водорода. Как звезды потеряли водород? Ответ дадут дальнейшие наблюдения Gaia.

Космическая обсерватория также обнаружила множество звезд, блеск которых испытывает более или менее регулярные изменения с течением времени. В частности, она получила детальные кривые блеска для десятков переменных звезд типа RR Лиры в галактике Большое Магелланово Облако, расположенной на небе недалеко от южного полюса эклиптики.

Любопытным объектом, неоднократно попадавшим в поле зрения телескопов Gaia, стал «Кошачий глаз» — планетарная туманность NGC 6543, видимая почти точно в направлении на северный полюс эклиптики.

Планетарные туманности образуются, когда внешние слои маломассивных звезд на конечной стадии их эволюции сбрасываются в космическое пространство, а звездное ядро остается в виде компактного белого карлика. Вещество сброшенной оболочки взаимодействует с окружающей межзвездной средой, приобретая подчас весьма необычные формы.

Gaia провела более двухсот наблюдений туманности «Кошачий глаз» и зарегистрировала в ней свыше 84 тыс. структур, которые позволили надежно проследить, что происходит с газообразными волокнами, характерными для этого класса объектов. В дальнейшем разрешающая способность обсерватории позволит увидеть расширение этих волокон и изменение их взаимного расположения.

Известно, что планетарные туманности отличаются большим разнообразием форм, причины которого пока не совсем ясны. Одни имеют почти сферическую форму, что легко объясняется почти равномерным разлетом сброшенной оболочки, причем скорость расширения зависит от атомной массы элемента (водород «разлетается» быстрее, чем, например, гелий). Форма других туманностей, скорее всего, обусловлена характером движения ионизированного вещества в магнитном поле, окружающем окрестности погибшей звезды; структура третьих объясняется наличием у нее спутника. Наконец, помимо измерения фотометрических и астрометрических параметров, будут реализованы масштабные спектральные исследования большого количества звезд.

Спектры астрономических объектов являются своеобразными «паспортами», содержащими подробную информацию об их химическом составе, температуре и движении, а также показывающими, нет ли у конкретной звезды достаточно массивного спутника.

Каждый химический элемент, каждая молекула создают определенное число линий (излучения или поглощения), которые характеризуются только им присущим положением в спектре. Эти линии дают возможность определить, какие элементы и в какой концентрации присутствуют в объекте, при каких температурах и давлениях они находятся.

Но наиболее важную роль спектры звезд играют при определении по ним скорости движения вдоль луча зрения, вызывающего незначительные сдвиги спектральных линий поглощения в красную (при удалении) или фиолетовую сторону благодаря так называемому эффекту Доплера. В спектрах некоторых горячих светил Gaia зарегистрировала линии поглощения межзвездного газа, расположенного между наблюдателем и звездой. Их исследование позволит ученым построить карту распределения газообразной материи в Галактике.

Чего еще ждать от Gaia?

Экзопланеты. Gaia изучит сотни миллионов звезд за пределами нашей Солнечной системы, регистрируя крошечные колебания линий в их спектрах, возникающие вследствие гравитационного воздействия со стороны планет, движущихся вокруг них. Оценки показывают, что обсерватория сможет обнаружить тысячи (а возможно, и десятки тысяч) планет размером с Юпитер. К сожалению, на поиск землеподобных тел, имеющих на порядки меньшую массу, она не рассчитана, но, возможно, их удастся «засечь» при более тщательном анализе полученных данных.

Поток комет. В Солнечной системе присутствует множество ледяных глыб, которые при сближении с Солнцем начинают испаряться и наблюдаются как кометы. Часть из них когда-то находилась в обширном Облаке Оорта и была «вырвана» оттуда гравитацией проходящих мимо звезд. Gaia сможет выявить, какие именно звезды стали причиной появления комет около Солнца, и поможет спрогнозировать будущие сравнительно тесные сближения с нашими звездными «соседями».

«Неудавшиеся» звезды. Особой задачей является поиск коричневых карликов — объектов, примерно на порядок превышающих по массе планеты типа Юпитера, но недостаточно тяжелых, чтобы в их недрах начались термоядерные реакции на основе водорода (как у «настоящих» звезд). Число таких объектов, по прогнозам, огромно, они дрейфуют в межзвездном пространстве, однако открыть их не так-то просто, поскольку они почти не излучают в видимой части спектра. Приборы Gaia чувствительны к излучению ближнего инфракрасного диапазона и потенциально способны отслеживать эти малоизученные тела.

Искривление пространства. На больших масштабах пространство не описывается геометрией Эвклида — как принято говорить, оно не является «плоским». На самом деле оно содержит многочисленные искривления, вызванные гравитацией массивных объектов (звезд, галактик, их скоплений). Эти искривления искажают прямолинейное движение света. Чувствительность Gaia позволит астрономам увидеть такие изгибы с высочайшей детализацией. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна описывает их теоретически и позволяет принимать их во внимание при интерпретации данных, получаемых обсерваторией. С другой стороны, проводимые ею измерения дадут ученым шанс проверить основные положения, исходящие из уравнений Эйнштейна, с беспрецедентной точностью. В частности, по ним можно будет оценить предел чувствительности приборов, конструируемых для подтверждения существования гравитационных волн — своеобразной «ряби» в структуре пространства-времени, предсказанной эйнштейновской теорией.

И, как это часто бывает, наблюдения Gaia помогут ученым сделать множество открытий, которые пока невозможно даже вообразить…