Телескоп Gaia — самый совершенный астрометрический инструмент, который с 2013 по 2025 год отслеживал движение миллиардов космических объектов. Результаты его работы трудно осмыслить, тем более, что на самом деле работа по обработке полученных им данных будет продолжаться еще долгие годы. Однако мы все же попробуем это сделать.

Сколько звезд на небе?
15 января 2025 года Европейское космическое агентство сообщает, что космический телескоп Gaia прекращает наблюдение за звездным небом. Ближайшие несколько недель он будет использоваться для исследования управления космическими аппаратами, а затем его отведут подальше от Земли для того, чтобы он не смог ни с чем столкнуться.
Телескоп Gaia работал на орбите с декабря 2013 года, однако в новости попадал не так уж и часто. А когда это все же происходило, то в них содержалось большое количество чисел, характеризующих количество звезд, галактик и астероидов, которые он наблюдал. Люди очень плохо воспринимают числа, особенно большие, поэтому объяснить, что же такое важное делал этот инструмент, не так просто.
Чтобы сделать это, надо начать издалека. Когда чего-то действительно много, то об этом говорят: «Как звезд на небе». И действительно, если в безоблачную ночь выйти на улицу где-то, где нет светового загрязнения, то от того, сколько на небе крошечных огоньков, может закружиться голова.

Невооруженным глазом их видно действительно немало: около 6 тысяч. Однако еще в XVII веке астрономы выяснили, что если смотреть в телескоп, то их окажется гораздо больше. Потому что на самом деле они не прикреплены к небесной сфере, а образуют гигантскую трехмерную структуру — галактику Млечный Путь.
Карта Галактики
При этом положение звезд в пространстве непостоянно. Каждая из них имеет свою собственную траекторию движения, которое, с точки зрения земного наблюдателя, хотя и медленное, но ощутимое. Но все же, если бы ученые смогли определить положение каждой звезды и определили бы вектор ее движения, то можно было бы составить нечто вроде карты Галактики, как она есть.
К большому сожалению, еще в XIX веке количество звезд, которые астрономы включили в свои каталоги, достигло десятков и сотен тысяч. И уже тогда было понятно — это только та часть, которую позволяют увидеть телескопы.

В XX веке, после установления истинных размеров Млечного Пути, стало возможным подсчитать количество звезд на определенном участке неба, определить расстояния до них, и экстраполировать результат на всю Галактику, узнав их количество. Оказалось, что эта цифра должна составлять от 200 до 400 млрд, то есть сотни тысяч светил в астрономических каталогах – крошечная частичка действительно огромной системы, постичь которую человеческим разумом практически невозможно, ибо даже то, что мы знаем, трудновато и для большинства ученых, не говоря о других людях.
Также выяснилось, что сам Млечный Путь — лишь одна из сотен миллионов галактик во Вселенной. Однако этот факт как-то терялся на фоне того, что даже о собственной звездной системе мы за тысячи лет наблюдения за небом не узнали практически ничего.
И все же астрономы решили продолжить составлять более полные каталоги. Для этого надо было использовать астрометрические и фотометрические методы. Первые заключаются в определении угловых координат объекта на небе. Вторые же заключаются в том, чтобы определить, сколько энергии объект излучает на разных длинах волн. И все это надо делать в течение длительного времени для того, чтобы уловить движение звезд.

Космические телескопы
Проблема заключается в том, что атмосфера нашей планеты искажает свет от звезд. Поэтому существует определенный предел, за которым эффективность увеличения диаметра зеркала телескопа резко снижается. Кроме того, обычно, чем мощнее сила астрономического прибора, тем уже его поле зрения. А значит, время на то, чтобы осмотреть все небо, увеличивается.
Логичным выходом из этой ситуации есть создание телескопа компромиссной конструкции, в котором и поле зрения, и увеличение большие. Далее его надо вывести в космос, где он будет в автоматическом режиме крутиться, наблюдая все небо.
Первым таким космическим телескопом стал Hipparcos. Его вывели на орбиту в 1989 году и он собирал данные до 1997-го. Затем ученые долго обрабатывали исследования, сравнивали их с тем, что увидели наземные телескопы. Результатом стали несколько каталогов, самым совершенным из которых был Тихо-2.

Тихо-2 содержит данные о чрезвычайно точном положении на небе, собственном движении и звездной величине 2,5 млн звезд. И здесь, опять же, оценке результата мешает плохое умение человеческого мозга оперировать большими числами. Проиллюстрировать его можно следующим образом.
Если бы каталог Тихо-2 был лентой постов в соцсети и если бы кто-то взялся пролистать его весь и просто поставить лайк каждому светилу, тратя на это в среднем три секунды, то весь процесс занял бы 87 суток, причем без учета того, что человеку надо все это время есть, спать и удовлетворять другие потребности.
И все же каталоги, созданные на основе наблюдений спутника Hipparcos, даже по самым скромным оценкам численности звезд в Млечном Пути, содержал лишь 0,001% их общего количества. При таком соотношении возникают сомнения относительно того, является ли вообще то, что мы наблюдаем, типичной картиной галактики Млечный Путь.
Конструкция телескопа Gaia
Очевидно, что для лучшего результата в космос надо было вывести более мощный телескоп. Им и стала обсерватория Gaia. На самом деле конструкция телескопа достаточно проста. В ее основе лежит самая большая на начало 2010-х годов фотографическая матрица с 938 млн пикселей.

На нее фокусируют собранное изображение сразу два телескопа, каждый из которых состоит из трех пятиугольных зеркал, самые большие имеют размер 1,46 на 0,51 м. Каждый из них видит свой участок неба. Однако благодаря тому, что телескоп все время вращается, каждое из зеркал осматривает один и тот же участок неба за точно установленный промежуток времени. Поэтому можно точно определить, как изменилось положение всех звезд на нем и их светимость.
Еще на борту Gaia есть спектроскоп, который по линиям поглощения и излучения идентифицирует светила, звездный искатель и оборудование для того, чтобы все это работало. А еще на борту есть двигатели для поддержания вращения и баки с топливом для них.
Чтобы избавиться от любой засветки, телескоп оснастили большим отражающим щитом и разместили в точке Лагранжа L2 системы «Земля-Солнце».

Однако из-за такого расположения Gaia не могла чисто путем траектории менять свое поле зрения в соответствии с программой. Поэтому двигателям приходилось дополнительно раскручивать телескоп. Топливо на это расходовалось чрезвычайно экономно, но за десятилетия его запасы исчерпались, что и стало причиной остановки наблюдений.
Результаты работы телескопа
Однако то, что аппарат завершил наблюдения, еще не означает, что научная работа с ним тоже закончена. Пока Gaia находилась в активном состоянии, она сплошным потоком продуцировала огромное количество сырых данных, которые направлялись на Землю. Отдельные наблюдения звезды или галактики надо было просуммировать и определить их характеристики. Все это крайне кропотливый процесс, поэтому его разделили на несколько этапов.

Сначала в сентябре 2016 года, почти через три года после запуска, был выпущен первый набор данных Gaia, который базировался на первых 14 месяцах наблюдений, то есть чуть больше, чем на первом году функционирования аппарата. И уже он содержал данные о примерно 1,1 млрд звезд Млечного Пути. То есть по сравнению с Тихо-2 количество светил, для которых были определены координаты и светимость, увеличилось в 440 раз. Здесь, если лайкать с той же скоростью, то всей жизни не хватит, чтобы дойти до конца списка.
Кстати, по каталогу Тихо-2 ученые, работавшие с Gaia, тоже прошлись и уточнили характеристики звезд.
Далее был 2018 год. Ученые обнародовали второй набор данных. На этот раз он базировался на 22 месяцах наблюдений телескопа до мая 2016 года. Количество звезд в каталоге составляет 1,3 млрд. Кроме того, для 7 млн из них были определены радиальные скорости. Также, впервые в рамках этого проекта вспомнили о других астрономических объектах и опубликовали орбитальные данные 14 тыс. астероидов и комет солнечной системы.
Именно в 2018 была обнародована первая версия того, ради чего и создавалась Gaia — трехмерная карта тех звезд, за которыми этот телескоп наблюдал. Конечно, на ней можно было увидеть лишь примерно пол процента всех светил Млечного Пути, но на тот момент это было лучшее представление человечества о том, как же на самом деле располагаются звезды в Галактике.

Наконец, в 2022 году был окончательно представлен третий релиз данных от Gaia. По сути, он стал первым, в котором телескоп показал все, на что способен. Количество наблюдавшихся звезд достигло 1,8 млрд. Для большинства из них определили не только координаты, но и светимость в видимом и голубом свете и цвет. Также для десятков миллионов из них определили массу.
Кроме того, в этом релизе содержались данные о десятках тысяч астероидов в Солнечной системе, сотни миллионов галактик и множество других объектов. Можно было бы привести еще много цифр, которые все равно не воспринимаются человеческим мозгом, но их можно заменить одной: о существовании 997 из каждой 1000 ныне известных звезд астрономы узнали после 2013 года и произошло это благодаря космическому телескопу Gaia.
Также с его помощью было осуществлено и несколько более простых для понимания открытий: например, новые черные дыры и экзопланеты. Особенно эффективным телескоп оказался при изучении галактик-спутников Млечного Пути. Одна из них, Насос 2, вообще была открыта с помощью этого телескопа.

О двух других — Большом и Малом Магеллановых Облаках — удалось выяснить, что поток звезд, который связан с ними, находится значительно ближе к Млечному Пути, чем считалось до сих пор. То есть они значительно теснее связаны с нами.
Самое интересное же получилось с карликовой галактикой Скульптор. Это — ближайшая к нам звездная система. Она находится в процессе слияния с Млечным Путем. Благодаря данным телескопа Gaia удалось выяснить, что она уже несколько раз прошла сквозь диск нашей Галактики, в последний раз это произошло 100–200 млн лет, поэтому немало звезд и даже скоплений в ней до того принадлежали галактике Скульптор.
Будущее миссии
Самое интересное в третьем релизе данных Gaia то, что при том, что полностью опубликован в 2022 году, он опирался на данные, собранные лишь в течение 34 месяцев работы: с июля 2014-го по май 2017-го. То есть большая часть собранных этим инструментом данных тогда еще не была обработана.
Именно поэтому прекращение функционирования Gaia не означает конца самой миссии. Собрано такое невероятное количество данных, что ученые будут обрабатывать их еще не один год.

Четвертый релиз, который будет базироваться на данных, собранных в течение 5 лет, выйдет не ранее 2026-го. Он будет содержать полные астрометрические, фотометрические и радиально-скоростные каталоги, астрофизические модели для переменных и кратных звезд, классификации источников излучения, а также многочисленные астрофизические параметры звезд, неразделенные двойные, галактики и квазары, список экзопланет, а также данные об эпохах и транзитах для всех источников.
Наконец, уже в 2030-х астрономы должны обработать все данные, собранные Gaia. В основном это приведет к повышению точности измерений, но вполне возможно, что и какие-то новые звезды удастся открыть.
Можно ли постичь необъятное? Когда мы смотрим на звездное небо, то думаем о том, что оно является воплощением того, властвовать над чем наш разум не в силах. Однако количество звезд, которые на нем можно увидеть, известно уже несколько веков. Однако оказалось, что их гораздо больше, чем мы думали ранее.
Ученые столкнулись с новой необъятностью, и прямо сейчас пытаются ее покорить силами собственного разума. И космический телескоп Gaia — самая успешная на сегодня попытка познать, сколько же на самом деле звезд на небе, и узнать больше о каждой из них.