Телескоп Gaia: як осягнути неосяжне?

Телескоп Gaia — найдосконаліший астрометричний інструмент, який з 2013 по 2025 рік відстежував рух мільярдів космічних об’єктів. Результати його роботи важко осмислити, тим більше, що насправді робота з обробки отриманих ним даних триватиме ще довго. Проте ми все ж спробуємо це зробити.

Телескоп Gaia
Телескоп Gaia

Скільки зір на небі?

15 січня 2025 року Європейська космічна агенція повідомляє, що космічний телескоп Gaia припиняє спостереження за зоряним небом. Найближчі кілька тижнів він використовуватиметься для дослідження управління космічними апаратами, а потім його відведуть далі від Землі для того, аби він не зміг ні з чим зіштовхнутися.

Телескоп Gaia працював на орбіті з грудня 2013 року, однак до новин потрапляв не так вже й часто. А коли це все ж відбувалося, то в них містилася велика кількість чисел, які характеризували кількість зір, галактик і астероїдів, які він спостерігав. Люди дуже погано сприймають числа, особливо великі, тому пояснити, що ж таке важливе робив цей інструмент, не так просто.

Для того, аби зробити це, треба почати здалеку. Коли чогось дійсно багато, то про це говорять: «Наче зір на небі». І справді, якщо у безхмарну ніч вийти на вулицю десь, де немає світлового забруднення, то від того, скільки на небі крихітних вогників, може запаморочитися голова.

Скільки зір на небі
Скільки зір на небі? Джерело: skyandtelescope.org

Неозброєним оком їх видно дійсно чимало: близько 6 тисяч. Проте ще в XVII столітті астрономи з’ясували, що якщо дивитися в телескоп, то їх виявиться набагато більше. Бо насправді вони не прикріплені до небесної сфери, а утворюють гігантську тривимірну структуру — галактику Чумацький Шлях.

Карта Галактики

При цьому положення зір у просторі непостійне. Кожна з них має свою власну траєкторію руху, який, з погляду земного спостерігача, хоча й повільний, але відчутний. Але все ж, якби вчені змогли визначити положення кожної зорі й визначили б вектор її руху, то можна було б скласти щось на кшталт карти Галактики, як вона є.

На превеликий жаль, ще у XIX столітті кількість зір, які астрономи включили у свої каталоги, сягнула десятків і сотень тисяч. І вже тоді було зрозуміло — це тільки та частина, яку дозволяють побачити телескопи.

Уявлення про Галактику Вільяма Гершеля
Уявлення про Галактику Вільяма Гершеля. Джерело: Вікіпедія

У XX столітті, після встановлення істинних розмірів Чумацького Шляху, стало можливим підрахувати кількість зір на певній ділянці неба, визначити відстані до них, і екстраполювати результат на всю Галактику, дізнавшись їхню кількість. Виявилося, що ця цифра має складати від 200 до 400 млрд, тобто сотні тисяч світил в астрономічних каталогах — крихітна частинка величезної системи, осягнути яку людським розумом практично неможливо, бо навіть те, що ми знаємо, важкувато і для більшості науковців, не кажучи про інших людей.

Також з’ясувалося, що сам Чумацький Шлях — лише одна із сотень мільйонів галактик у Всесвіті. Проте цей факт якось губився на тлі того, що навіть про власну зоряну систему ми за тисячі років спостереження за небом не дізналися практично нічого.

І все ж астрономи вирішили продовжити складати повніші каталоги. Для цього треба було використовувати астрометричні та фотометричні методи. Перші полягають у визначенні кутових координат об’єкта на небі. Другі ж полягають у тому, щоб визначити, скільки енергії об’єкт випромінює на різних довжинах хвиль. І все це треба робити протягом тривалого часу для того, аби вловити рух зір.

Галактика Чумацький Шлях
Галактика Чумацький Шлях. Джерело: cosmosatyourdoorstep.com

Космічні телескопи

Проблема полягає в тому, що атмосфера нашої планети спотворює світло від зір. Тому існує певна межа, за якою ефективність збільшення діаметра дзеркала телескопа різко знижується. Крім того, зазвичай, чим потужніше сила астрономічного приладу, тим вужче його поле зору. А значить, час на те, аби огледіти все небо, збільшується.

Логічним виходом із цієї ситуації є створення телескопа компромісної конструкції, в якому і поле зору, і збільшення великі. Далі його треба вивести в космос, де він буде в автоматичному режимі крутитися, спостерігаючи все небо.

Першим таким космічним телескопом став Hipparcos. Його вивели на орбіту в 1989 році й він збирав дані до 1997-го. Потім вчені тривалий час обробляли дослідження, порівнювали їх із тим, що побачили наземні телескопи. Результатом стали кілька каталогів, найдосконалішим з яких був Тихо-2.

Супутник Hipparcos
Супутник Hipparcos. Джерело: www.britannica.com

Тихо-2 містить дані про надзвичайно точне положення на небі, власний рух та зоряну величину 2,5 млн зір. І тут, знову ж, оцінці результату заважає погане вміння людського мозку оперувати великими числами. Проілюструвати його можна таким чином.

Якби каталог Тихо-2 був стрічкою постів у соцмережі і якби хтось узявся погортати його весь і просто поставити лайк кожному світилу, витрачаючи на це в середньому три секунди, то весь процес зайняв би 87 діб, причому без урахування того, що людині треба весь цей час їсти, спати й задовольняти інші потреби.

І все ж каталоги, створені на основі спостережень супутника Hipparcos, навіть за найскромнішими оцінками чисельності зір у Чумацькому Шляху, містив лише 0,001% їхньої загальної кількості. За такого співвідношення виникають сумніви щодо того, чи взагалі те, що ми спостерігаємо, є типовою картиною галактики Чумацький Шлях.

Конструкція телескопа Gaia

Очевидно, що для кращого результату в космос треба було вивести потужніший телескоп. Ним і стала обсерваторія Gaia. Насправді конструкція телескопа достатньо проста. В її основі лежить найбільша на початок 2010-х років фотографічна матриця з 938 млн пікселів.

Конструкція телескопа Gaia
Конструкція телескопа Gaia. Джерело: phys.org

На неї фокусують зібране зображення одразу два телескопи, кожен з яких складається з трьох прямокутних дзеркал, найбільші мають розмір 1,46 на 0,51 м. Кожен із них бачить свою ділянку неба. Проте завдяки тому, що телескоп весь час обертається, кожне із дзеркал оглядає одну і ту саму ділянку неба за точно встановлений проміжок часу. Отже, можна точно визначити, як змінилося положення усіх зір на ній та їхня світність.

Ще на борту Gaia є спектроскоп, який за лініями поглинання та випромінювання ідентифікує світила, зоряний шукач і обладнання для того, щоб усе це працювало. А ще на борту є двигуни для підтримки обертання та баки з паливом для них.

Щоб позбутися будь-якого засвічування, телескоп оснастили великим відбивним щитом і розмістили в точці Лагранжа L2 системи «Земля-Сонце».

Орбита телескопа Gaia
Орбіта телескопа Gaia. Джерело: Вікіпедія

Однак через таке розташування Gaia не могла чисто шляхом траєкторії змінювати своє поле зору відповідно до програми. Тому двигунам доводилося додатково розкручувати телескоп. Паливо на це витрачалося надзвичайно економно, проте за десятиліття його запаси вичерпалися, що і стало причиною зупинки спостережень.

Результати роботи телескопа

Проте те, що апарат завершив спостереження, ще не означає, що наукова робота з ним теж закінчена. Поки Gaia перебувала в активному стані, вона суцільним потоком продукувала величезну кількість сирих даних, які направлялися на Землю. Окремі спостереження зорі чи галактики треба було просумувати й визначити їхні характеристики. Усе це вкрай кропіткий процес, тому його розділили на кілька етапів.

Метод сканування Gaia
Метод сканування Gaia. Джерело: Вікіпедія

Спочатку у вересні 2016 року, майже через три роки після запуску, був випущений перший набір даних Gaia, який базувався на перших 14 місяцях спостережень, тобто трохи більше, ніж на першому році функціонування апарата. І вже він містив дані про приблизно 1,1 млрд зір Чумацького Шляху. Тобто у порівнянні із Тихо-2 кількість світил, для яких були визначені координати й світимість, збільшилася у 440 разів. Тут, якщо лайкати з тією ж швидкістю, то всього життя не вистачить, аби дійти до кінця списку.

До речі, по каталогу Тихо-2 вчені, що працювали з Gaia, теж пройшлися й уточнили характеристики зір.

Далі був 2018 рік. Вчені оприлюднили другий набір даних. Цього разу він базувався на 22 місяцях спостережень телескопа до травня 2016 року. Кількість зір у каталозі складає 1,3 млрд. Крім того, для 7 млн з них було визначено радіальні швидкості. Також, вперше в рамках цього проєкту згадали про інші астрономічні об’єкти й опублікували орбітальні дані 14 тис. астероїдів та комет сонячної системи.

Саме 2018-го була оприлюднена перша версія того, заради чого і створювалася Gaia — тривимірна карта тих зір, за якими цей телескоп спостерігав. Звичайно, на ній можна було побачити лише приблизно пів відсотка усіх світил нашої Галактики, але на той момент це було найкраще уявлення людства про те, як же насправді розташовуються зорі в Чумацькому Шляху.

Діаграма Герцшпрунга-Расела, побудована за результатами спостережень Gaia
Діаграма Герцшпрунга — Рассела, побудована за результатами спостережень Gaia. Джерело: Вікіпедія

Нарешті, 2022-го було остаточно представлено третій реліз даних від Gaia. По суті, він став першим, у якому телескоп показав усе, на що здатний. Кількість зір, які спостерігалися, досягла 1,8 млрд. Для більшості з них визначили не тільки координати, але й світимість у видимому та блакитному світлі та колір. Також для десятків мільйонів із них визначили масу.

Крім того, у цьому релізі містилися дані про десятки тисяч астероїдів у Сонячній системі, сотні мільйонів галактик та безліч інших об’єктів. Можна було б навести ще багато цифр, які все одно не сприймаються людським мозком, але їх можна замінити однією: про існування 997 з кожної 1000 нині відомих зір астрономи дізналися після 2013 року і сталося це завдяки космічному телескопу Gaia.

Також за його допомогою здійснили й кілька простіших для розуміння відкриттів: наприклад, нові чорні діри та екзопланети. Особливо ефективним телескоп виявився у вивченні галактик-супутників Чумацького Шляху. Одна з них, Насос 2, взагалі була відкрита за допомогою цього телескопа.

Галактика Насос 2
Галактика Насос 2. Джерело: Вікіпедія

Про дві інші — Велику та Малу Магелланові Хмари — вдалося з’ясувати, що потік зір, який пов’язаний із ними, розташований значно ближче до Чумацького Шляху, ніж вважалося досі. Тобто вони значно тісніше пов’язані з нами.

Найцікавіше ж трапилося з карликовою галактикою Скульптор. Це — найближча до нас зоряна система. Вона перебуває у процесі злиття з Чумацьким Шляхом. Завдяки даним телескопа Gaia вдалося з’ясувати, що вона вже кілька разів пройшла крізь диск нашої Галактики, востаннє це сталося 100–200 млн років, тому чимало зір і навіть скупчень у ній до того належали галактиці Скульптор.

Майбутнє місії

Найцікавіше в третьому релізі даних Gaia те, що при тому, що повністю опублікований у 2022 році, він спирався на дані, зібрані лише протягом 34 місяців роботи: з липня 2014-го по травень 2017-го. Тобто більша частина зібраних цим інструментом даних тоді ще не була оброблена.

Саме тому припинення функціонування Gaia не означає завершення самої місії. Зібрана така неймовірна кількість даних, що вчені будуть обробляти їх ще не один рік.

Події гравітаційного лінзування, зафіксовані Gaia
Події гравітаційного лінзування, зафіксовані Gaia. Джерело: Вікіпедія

Четвертий реліз, який базуватиметься на даних, зібраних протягом 5 років, вийде не раніше 2026-го. Він міститиме повні астрометричні, фотометричні та радіально-швидкісні каталоги, астрофізичні моделі для змінних і кратних зір, класифікації джерел випромінювання, а також численні астрофізичні параметри зір, нерозділені подвійні, галактики й квазари, список екзопланет, а також дані про епохи й транзити для всіх джерел.

Нарешті, вже у 2030-х астрономи мають обробити всі дані, зібрані Gaia. Переважно це призведе до підвищення точності вимірювань, але цілком можливо, що і якісь нові зорі вдасться відкрити.

Чи можна осягнути неосяжне? Коли ми дивимося на зоряне небо, то думаємо про те, що воно є втіленням того, володарювати над чим наш розум не спроможний. Проте кількість зір, які на ньому можна побачити, відома вже кілька століть. Виявилося, що їх набагато більше, ніж ми вважали раніше.

Науковці зіткнулися з новою неосяжністю, і прямо зараз намагаються її підкорити силами власного розуму. І космічний телескоп Gaia — найуспішніша на сьогодні спроба пізнати, скільки ж насправді зір на небі, та дізнатися більше про кожну з них.

Новини інших медіа