Gaia misija: milijardo žvaigždžių 3D katalogas ir astrometrija

Gaia misija: itin tikslus milijardo žvaigždžių 3D katalogas ir astrometrija — Pieno kelio žemėlapis, atstumai, judėjimai ir žvaigždžių fizikos duomenys.

"Gaia" yra kosmoso observatorija. Ją 2013 m. gruodžio 19 d. paleido Europos kosmoso agentūra (EKA). Misijos pagrindinis tikslas – sukurti aukštos kokybės erdvinį 3D katalogą, apimantį apie milijardą astronominių objektų, bei itin tiksliai išmatuoti jų padėtis ir judėjimą.

Gaia leidžia ištirti maždaug 1 proc. visos Pieno kelio žvaigždžių populiacijos. Tai tęsinys Hipparcos misijos ir dalis EKA ilgalaikės mokslo programos "Horizon 2000 Plus". Pagal misijos planą, per apie penkerius metų veiklos metus kiekvienas tikslas buvo stebimas vidutiniškai ~70 kartų, kad būtų nustatytos labai tikslios astrometrinės reikšmės (padėtys, paralaksės, proper motion).

Pieno kelio trimatis žemėlapis, kurį kuria "Gaia", kartu su matavimais apie žvaigždžių judėjimą leidžia rekonstruoti mūsų galaktikos susidarymo istoriją, jos struktūrą ir populiacijų evoliuciją. Be pozicijų ir judėjimo, misija renka ir spektroskopinius bei fotometrinius duomenis: pagal spektrus ir spalvinius rodiklius nustatomos žvaigždžių fizikinės savybės – šviesis, temperatūra, gravitacija ir elementinė sudėtis. Paralaksės matavimų dėka atstumai iki milijonų žvaigždžių nustatomi tiesiogiai; didžiausiu tikslumu nustatomi atstumai iki dešimčių milijonų žvaigždžių, o bendras katalogas apima šimtus milijonų–milijardus pozicijų.

Pagrindinius stebėjimo duomenis suteiks masinis žvaigždžių surašymas. Naudodamiesi šiais duomenimis astronomai sprendžia daug esminių klausimų – nuo galaktikos masės paskirstymo ir tamsiosios materijos profilį iki žvaigždžių orbitų, žvaigždžių masių pasiskirstymo ir kintamųjų žvaigždžių evoliucijos. Vienu metu "Gaia" matuoja didelį kvazarų, galaktikų, ekstrasolinių planetų kandidatų ir Saulės sistemos kūnų skaičių, todėl jo duomenys aktualūs ir kosminės navigacijos, ir fundamentinės astrofizikos problemoms.

"Gaia" buvo paleista raketa "Sojuz" iš Gvianos kosmoso centro (GSC) Prancūzijos Gvianoje. Ji skrieja Lisadžo orbita aplink Saulės-Žemės L2 Lagranžo tašką, kas užtikrina stabilias sąlygas ilgalaikiams stebėjimams. Nuo misijos pradžios iki 2018 m. balandžio mėn. "Gaia" jau išmatavo maždaug milijardą žvaigždžių ir kitų objektų; vėlesnės duomenų publikacijos (DR1, DR2, eDR3, DR3 ir kt.) dar labiau išplėtė ir patikslino katalogą, pateikdamos milijardus astrometrinių, fotometrinių ir (dalis duomenų) spektroskopinių įrašų.

Instrumentai ir matavimo metodai

"Gaia" turi dvi tarpusavyje sujungtas teleskopų sistemas, kurios meta vaizdus ant didelio bendro CCD židinio (su keliasdešimt–šimtu CCD), taip sukurdamos itin didelės raiškos vaizdų ir pozicijų srautą. Pagrindiniai instrumentai:

• astrometrinis prietaisas – tiksliai matuoja žvaigždžių padėtis ir judėjimą;
• BP/RP fotometrai (Blue Photometer / Red Photometer) – gauna mažos spektro raiškos spalvinius spektrus, reikalingus temperatūrai, šviesumui ir metalium sudėčiai nustatyti;
• RVS (Radial Velocity Spectrometer) – spektrometras, leidžiantis nustatyti radialines greičių komponentes ir taip gauti trečiąją greičio koordina-tę (t. y. judėjimą palei stebėtoją) ryškesnėms žvaigždėms.

Kiekvieną objektą "Gaia" stebėjo daug kartų skirtingais kampais pagal numatytą skanavimo įstatymą (scanning law), kas leidžia atskirti tikrąją padėtį nuo instrumentinių sisteminių paklaidų ir gauti didelį patikimumą.

Duomenų leidimai ir moksliniai rezultatai

Duomenų leidimai (data releases) periodiškai pateikia astronomams pilnesnius ir patikslintus katalogus. Pagrindiniai mokslo pasiekimai iki šiol apima:

• Pieno kelio struktūros ir dinamikos žemėlapiai: žvaigždžių antplūdžiai ir srautai, diskų iškraipymai, žvaigždžių tezės ir populiacijų pasiskirstymas;
• Tikslios paralaksės ir proper motionai – leidžia perskaičiuoti žvaigždžių ryškumus, liuminą ir amžius, o kartu – tiksliau nustatyti žvaigždžių klasterių atstumus ir amžių;
• Tūkstančiai naujų kintamųjų žvaigždžių, egzotiškų sistemų ir gausybė informacijos apie dvigubes sistemas;
• Identifikacija milijonų galaktikų ir kvazarų, kurie naudojami inertinio koordinatų tinklo formavimui ir kosminio atskaitos sistemos (reference frame) stiprinimui;
• Saulės sistemos kūnų (asteroidų, kometų) trajektorijų gerinimas ir nauji atradimai mažesnių kūnų aplink Saulę.

Praktinis ir platesnis poveikis

"Gaia" duomenys turi plačią panaudojimo sritį: nuo fundamentinės astrofizikos ir kosmologijos iki planetų paieškos, orbitalinių mechanikos patikrinimų ir erdvės navigacijos. Žemėlapiai naudojami tiriant tamsiąją materiją Pieno kelyje (analizuojant žvaigždžių judėjimą), ieškant palikuonių struktūrų po galaktikų susilietimų ir nustatant vietines žvaigždžių populiacijas.

Statusas ir ateitis

"Gaia" tęsia darbą ir kaupimą duomenų, o ateities duomenų leidimai dar labiau pagerins tiek skaičių, tiek kokybės parametrus. Galutinio, maksimalios kokybės katalogo išleidimas priklausys nuo misijos pratęsimų ir duomenų apdorojimo iteracijų. Tolimesnės analizės ir kombinacijos su kitų misijų (pvz., žemės observatorijų ar kosminių teleskopų) duomenimis leis dar tiksliau suprasti Pieno kelio evoliuciją ir mūsų vietą joje.

„Gaia“ misija pakeitė žvaigždžių astrometrijos mastą – iš grynai astronominių tyrimų ji peraugo į pagrindinį įrankį daugeliui sričių, susijusių su kosminiu žemėlapiu, Laiko ir erdvės koordinačių sistemos tiksline realizacija bei žvaigždžių fizikos tyrimais.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra Gaja?

K: Kokia yra "Gaia" misija?

K: Kiek laiko "Gaia" stebės kiekvieną tikslinę žvaigždę?

K: Kokius duomenis pateikia "Gaia"?

K: Ką astronomai tikisi pasiekti naudodami šiuos duomenis?

Paieška pagal raidę