истории

Представляете, некоторые астрономы до сих пор делают то же, что и тысячи лет назад, — просто считают звезды… И даже поставили новый рекорд Но зачем?! Нет, правда, когда они остановятся?

Источник: Meduza

Составление карт звездного неба, открытие и ведение списков звезд кажется занятием, подходящим разве что для древних греков, как максимум — для основательных авторов немецких звездных каталогов XIX века. Но астрометрия не просто жива — в ней случаются глубокие, пусть и не всегда видимые сдвиги, один из которых как раз произошел относительно недавно — с выходом новейшего звездного каталога от европейского космического телескопа «Гайя». В каталоге собрано почти два миллиарда объектов, которые в сумме составляют самое подробное описание нашей Галактики на сегодняшний день. Что астрономы узнали из этого каталога? В какой Вселенной мы живем? Зачем искать и картировать все новые звезды и сколько их еще предстоит открыть для того, чтобы сказать, что в нашей Галактике больше не осталось белых пятен? По просьбе «Медузы» на эти вопросы отвечает астрофизик Марат Мусин.

С началом космической эры астрометрия испытала настоящий «взрыв данных». Тем удивительнее, что мы до сих пор знаем лишь крохотную часть звезд нашей Галактики

Астрометрия — это исторически самая древняя область астрономии. Люди смотрели на небо и пытались запомнить расположение ярких звезд, чтобы ориентироваться в морях и пустынях, следить за временем или предсказать смену сезонов. Вплоть до пришествия в XIX веке физики в астрономию фактически все, что могли делать астрономы, — это как раз составлять все более и более подробные карты звездного неба, то есть заниматься астрометрией.

Среди самых известных астрометрических каталогов прошлого можно назвать Альмагест Клавдия Птолемея, который дополнил знания, собранные до него Гиппархом; Гурганский зидж, он же каталог Улугбека; звездный каталог датского астронома XVI века Тихо Браге, в котором было указано положение 1004 известных к тому времени звезд Северного полушария.

Если эпоха открытий новых земель и морей на Земле, работа геодезиста и топографа часто романтизируются, то работа астрометриста даже среди астрономов, наоборот, имеет репутацию скучной и рутинной, словно это бухгалтер на космическом корабле: пока все любуются невероятной красотой туманностей и галактик, он составляет в столбик числа. Тем не менее ни один астроном не работает без астрометрических данных: он просто не сможет найти на небе свой изучаемый объект.

С наступлением космической эры все больше телескопов начали запускать за пределы земной атмосферы, которая сильно мешает наблюдениям. В 1989 году астрометрия испытала качественный скачок — на околоземную орбиту был запущен первый специализированный астрометрический космический телескоп «Гиппарх». За три с половиной года работы он собрал информацию о 100 тысячах звезд, превзойдя примерно в 200 раз по точности каталог PPM Star Catalogue — последний из тех, что составлялись только на основе наземных наблюдений.

Миссия «Гиппарха» была невероятно успешной. Достаточно сказать, что все земные телескопы до сих пор наводятся по системе координат, составленной именно по этим наблюдениям. Но, к сожалению, чем выше точность наблюдений, тем быстрее полученные данные устаревают. Конечно, зная положение и скорость звезд, можно было бы попытаться обновлять звездные каталоги автоматически — рассчитывая новое положение звезд. Но в реальности это не так-то просто: положение и скорость позволяют найти звезду, если та движется по прямой, но на упорядоченное движение звезд вокруг центра Галактики накладываются возмущения от пролетающих мимо других звезд, звездных скоплений и черных дыр, их «нормальную» траекторию искажают массивные облака газа и пыли, которыми полон Млечный Путь.

Но важнее всего даже не это. Нужно понимать, что даже лучшие из звездных каталогов до сих пор охватывают лишь крохотную долю от всех звезд нашей Галактики (о других даже речь не идет). Так, например, в последнем в XX веке каталоге Tycho-2, куда вошли все известные звезды (включая те, что нашли в данных «Гиппарха» после дополнительной обработки информации), числится два с половиной миллиона объектов. При этом в Млечном Пути, по оценке астрономов, должно быть более 200 миллиардов звезд — получается, что мы до сих пор видим совсем мизерную часть собственной Галактики. С точки зрения астрометристов, эпоха Великих географических открытий в космосе еще не началась.

Количество звезд в астрометрических каталогах взрывообразно выросло после запуска первых космических телескопов

«Гайя» не похожа ни на один другой телескоп. У нее огромная (метровая!) матрица, при этом она до сих пор не прислала ни одной фотографии

Раз уж мы знаем лишь крохотную часть собственной Галактики и эта ситуация, которую хочется хоть отчасти исправить, в 1993 году была предложена Европейским космическим агентством, в 2000-м утверждена, а в 2013-м запущена в космос новая астрометрическая обсерватория, получившая имя Gaia.

Главная миссия двухтонного аппарата — сначала обнаружить, а затем измерить координаты и движение двух миллиардов звезд (1% от всех звезд Галактики) с точностью около 25 микросекунд дуги, чтобы лучше понять, как появился и менялся со временем Млечный Путь.

Что такое микросекунда дуги? В окружности 360 градусов, в одном градусе 60 минут, в одной минуте 60 секунд, а «Гайя» определяет положение звезды с точностью 25 миллионных одной секунды. Толщина волоса с расстояния 1000 километров. Это удивительный инструмент с самой большой светочувствительной матрицей, когда-либо запущенной в космос (длиной метр!), и о нем нужно рассказать отдельно.

В отличие от привычных нам телескопов, которые наводятся на звезду и стараются, используя всевозможные технические ухищрения, удержать ее в поле зрения, чтобы звезда оставалась неподвижной в течение времени выдержки, «Гайя» работает по совершенно иному принципу. У ее камеры (которая в 10 тысяч раз чувствительнее камеры миссии «Гиппарх») нет шторок и нет никакой выдержки — она снимает непрерывно, вращаясь вместе с телескопом со скоростью один оборот за шесть часов, и из-за этого вращения каждая звезда проходит по всей матрице, оставляя за собой длинный след.

Камера с миллиардом пикселей, непрерывно снимающая небо на вращающемся телескопе, генерирует умопомрачительное количество информации, которую невозможно передать на Землю. Поэтому (и это еще одно отличие «Гайи» от привычных нам телескопов) обсерватория сама проводит первичную обработку изображений и посылает на Землю только информацию о положении, яркости, спектре объектов, но не изображения в привычном нам понимании. Эти данные обрабатывает команда из 450 инженеров и ученых в девяти координационных центрах (расположенных в том числе в Турине, Женеве, Кембридже и Барселоне).

Сначала система из шести зеркал в этом небольшом (всего три с половиной метра в поперечнике) телескопе фокусирует и направляет свет от объектов по сложной траектории длиной 35 метров, прежде чем он достигнет матрицы.

Функционально матрица «Гайя» разделена на несколько участков, которые каждая звезда последовательно проходит. Сначала свет попадает на Sky mapper — полосу камеры шириной всего в несколько пикселей, — где он регистрируется и включает алгоритмы слежения на основной матрице.

На самом большом участке, называемом Astrometric Field, определяется позиция и яркость звезды по мере того, как из-за вращения телескопа ее изображение «перетекает» по матрице от одного пикселя к другому.

Дальше звезда попадает в фокус спектрографа, который раскладывает ее свет в спектр. На «Гайе» стоят инструменты высокого разрешения, поэтому полностью спектр физически не поместился бы на матрице. Решением стала установка двойного спектрографа Blue and red prism spectroscopy, который сначала проецирует на матрицу синюю, а затем красную часть спектра. Спектр — это не астрометрический, а физический параметр, он позволяет в том числе определить химический состав звезды и ее окрестностей. О его важности мы поговорим чуть дальше.

Последним по очереди звезду видит прибор Radial Velocity Spectra, который, в отличие от Blue and red prism spectroscopy, изучает не весь спектр, а узкий, но очень детализированный его участок. Его задача — наблюдая смещение отдельных спектральных линий из-за хорошо известного эффекта Доплера, измерить радиальную (то есть в направлении от нас) скорость звезды. Подобного прибора не было на аппарате «Гиппарх», так что «Гайя» стала первой обсерваторией, которая самостоятельно измеряет все шесть главных астрометрических параметров: три координаты и три вектора скорости, то есть может составлять трехмерные карты не только положений, но и скоростей звезд Млечного Пути.

Важно отметить, что когда свет от звезды попадает не на небольшой участок матрицы, а «размазывается» в спектр, то на каждый пиксель приходится существенно меньше света, что затрудняет его регистрацию прибором. Поэтому измерение радиальных скоростей возможно только для достаточно близких и ярких (до 16-й звездной величины) звезд. И хотя тут употребляется слово «яркий», в реальности эти звезды в 10 тысяч раз тусклее тех, которые может увидеть человек без бинокля.

Девять лет назад ракета-носитель «Союз» запустила «Гайю» намного дальше от Земли, чем ее предшественника, «Гиппарха». Обсерватория находится сейчас в очень популярной у современных космических телескопов точке Лагранжа L2. Она очень удобна для наблюдения неба, и потому там «припарковалось» много известных телескопов, в том числе «Гершель», «Планк», «Спектр-РГ». Оттуда же буквально несколько недель назад прислал первые научные снимки телескоп «Джеймс Уэбб».

«Гайя» начала работать не вчера. Тем не менее новый релиз данных — это важное событие. И дело не только в количестве звезд

Зачем вообще мы так подробно рассказываем про телескоп 2013 года? Он только что совершил какое-то важное открытие? Увидел что-то необычное и неизвестное? Нет и нет.

Дело в том, что, несмотря на ежедневную передачу данных на Землю о положении и движении 40 миллионов новых звезд, эта информация становится научно значимой только после тщательной обработки. «Гайя» не просто наносит новые звезды на трехмерную карту — она уточняет саму систему координат, по которой строится эта карта. Если публиковать новые данные после каждого сеанса наблюдений (как делает, например, «Хаббл»), то пришлось бы регулярно пересчитывать позиции вообще всех звезд. Поэтому данные накапливаются, обрабатываются и выпускаются раз в несколько лет в виде отдельных релизов.

Самый первый релиз вышел в сентябре 2016 года и состоял из данных, полученных всего лишь за первые 14 месяцев наблюдений (с июля 2014 года, когда закончилась проверка и настройка телескопа, по сентябрь 2015-го). Обратите внимание, что на обработку и сведение данных воедино понадобилось почти столько же времени, сколько и на собственно наблюдения. В каталог первого релиза попало больше миллиарда звезд, и это был безусловный прорыв, но для подавляющего большинства объектов были измерены лишь две координаты (долгота, широта) и яркость. Важно отметить, что в современных каталогах так много звезд, что никто их не называет уже ни 61 Лебедя (та самая звезда, расстояние до которой впервые измерил Бессель), ни уж тем более Вега или Альдебаран. Каждому объекту в каталоге «Гайя» присваивается скучный (зато уникальный) 19-значный номер.

Сложная орбита телескопа (одновременное вращение вокруг своей оси, движение вокруг точки Лагранжа L2 и по орбите вокруг Солнца) приводит к тому, что «Гайя», хотя и видит все небо, видит его очень неравномерно: какие-то участки наблюдаются десятки раз, а куда-то телескоп заглядывает всего однажды.

Этот существенный недостаток — неоднородность данных — был исправлен во втором каталоге, выпущенном в апреле 2018 года. Он основан уже на 22 месяцах наблюдений, и в нем есть не только полная астрометрическая информация (положение и собственное движение) для миллиарда звезд, но и радиальная скорость (та новая информация о движении в третьем измерении, которой не было у «Гиппарха») для семи миллионов звезд. И, что важно, астрофизические параметры.

Астрофизические параметры — это то, что вы можете сказать о самой звезде, кроме ее положения и скорости, изучая ее продолжительное время: температура поверхности, масса, яркость (и ее переменность), радиус, возраст, химический состав самой звезды и ее ближайших окрестностей и так далее.

Продолжая собирать астрометрические данные, которые уже стали де-факто стандартом в современной астрофизике (в среднем данные обсерватории используются при написании 1,6 тысячи статей в год), наибольший вклад в науку «Гайя» в ближайшие годы совершит благодаря определению этих самых астрофизических параметров для как можно большего числа уже открытых звезд. Именно эти параметры — главное богатство опубликованного 13 июня 2022 года третьего релиза данных (DR3) «Гайи».

📄 Дорогие читатели! Теперь вы можете скачать PDF-версию любой статьи «Медузы». Файл можно отправить в мессенджере или по электронной почте своим близким — особенно тем, кто не умеет пользоваться VPN или у кого явно нет нашего приложения. А можно распечатать и показать тем, кто вообще не пользуется интернетом. Подробнее об этом тут.

Начав с картирования звезд, «Гайя» пришла к открытию «звездотрясений», новых экзопланет и астероидов. И это лишь часть новых результатов

Данные собирали 34 месяца (с июля 2014-го по май 2017-го), то есть у ученых теперь в полтора раза больше информации, чем было в предыдущем релизе. Хотя, как видно, на обработку в этот раз ушло целых пять лет (пандемия ковида тоже сильно затормозила работу команды). Если предыдущие релизы раздвигали горизонт нашего знания о Галактике буквально, добавляя сотни миллионов ранее неизвестных, все более удаленных и тусклых звезд, то главное достоинство 10 терабайтов данных, доступных после релиза DR3, — не количество новых объектов (теперь их 1,8 миллиарда), а новая информация об уже открытых звездах, астероидах и других объектах наблюдения. Вместе с релизом, который очень торжественно и красочно проходил одновременно в штаб-квартире ESA в Париже и еще в 14 странах на разных языках, участники команды «Гайя» опубликовали сразу несколько научных статей, которые дают представление о скрытом в этих данных научном потенциале.

Вот ключевые цифры:

Ниже мы расскажем о нескольких разделах астрофизики, где данные DR3 уже привели к открытиям либо где уникальная информация этого релиза уже сейчас используется учеными в работе над загадками Вселенной.

Двойные звезды

Обработка данных от нескольких десятков проходов камеры по одному и тому же участку неба позволила обнаружить периодическое отклонение движения (похожее на спираль) у 169 тысяч звезд. Это двойные системы, в которых второе тело слишком тусклое для обнаружения. Им может быть коричневый карлик, нейтронная звезда или черная дыра. Массы и размеры этих объектов удается узнать по изменению движения видимой звезды-компаньона этой звездной системы.

Часть объектов не только двигается по спирали, но еще и меняет свой блеск. Систематические наблюдения «Гайя» доказали, что 87 тысяч таких объектов — это затменные двойные системы, в которых звезды по очереди закрывают от нас друг друга, ослабляя доходящий до нас свет. Считается, что в Галактике до половины звезд входит в кратные (двойные, тройные и более населенные) системы, а значит, даже просто обнаружение новых систем позволит точнее определить количество звезд в Млечном Пути.

Экзопланеты

Помимо двойных звезд, еще один пример того, как изучение движения яркой звезды приводит к открытию находящегося рядом невидимого малого тела, — это экзопланеты, то есть планеты, вращающиеся вокруг других (не нашего Солнца) звезд. Несмотря на то что «Гайя» не была изначально спроектирована для поиска экзопланет и, конечно, уступает в этом качестве, например, телескопу «Кеплер», но несравненная точность определения координат и параметров движения звезд помогает ей как находить новые экзопланеты (295 кандидатов и две подтвержденные планеты), так подтверждать (это необходимый бюрократический процесс поиска) уже 183 открытых, а еще и уточнять их характеристики.

Конечно, мы хотим не просто открывать экзопланеты, но и обнаружить там кислород, атмосферу, воду, наконец — жизнь. Всем этим будет заниматься телескоп «Джеймс Уэбб». Но и просто открытие и классификация экзопланет имеет большое значение, так как многие новые планетные системы непохожи на Солнечную — там появляются планеты, которых в нашей нет (супер-Юпитеры, холодные Нептуны) или которые необычно располагаются внутри своей звездной системы. Это не только дает нам понять, насколько уникальна наша Солнечная система, но и позволяет выявлять лучших кандидатов на последующее скрупулезное изучение специализированными телескопами. Будь это тот же телескоп Уэбба или запущенный в 2018-м космический «охотник за экзопланетами» TESS.

Астероиды

Астероиды — это остатки строительного материала нашей Солнечной системы. Они были свидетелями появления планет четыре миллиарда лет назад — и с тех пор не менялись. Изучая их, мы лучше узнаем о том, как формировалась наша Солнечная система, а значит, и о том, как в целом формируются планетные системы. «Гайя» увидела более 23 миллионов тел внутри нашей Солнечной системы и для 154 тысяч смогла проследить их орбиты, цвета, химический состав. Это околоземные астероиды, астероиды, пересекающие орбиту Марса, астероиды главного пояса, троянцы Юпитера, транснептуны. Удивительно, но у некоторых астероидов даже были открыты свои собственные спутники.

Звездотрясения

Сейсмологи очень любят землетрясения — за то, что те позволяют изучать состав земных недр на огромную глубину, которая совершенно недоступна, скажем, для бурения. Также и астросейсмологи любят смотреть за движением поверхности звезд — ведь по тому, как звезда «трясется», они могут многое узнать о ее строении, температуре, плотности и химическом составе разных слоев. Хотя физика внутренностей звезд была давно предсказана и рассчитана теоретически, до некоторых пор астрономы не могли предложить экспериментального подтверждения теории: они просто не знали о существовании звездотрясений.

Резкие изменения размеров звезды были обнаружены «Гайей» случайно — она не была специально спроектирована (сколько раз мы уже писали эту фразу?) для поиска и наблюдения за ними, и эти данные уже были опубликованы в предыдущем релизе. Новые, более точные наблюдения показали, что звездотрясения не раздувают сразу всю звезду, а скорее похожи на эпические цунами, прокатывающиеся по поверхности звезды.

На наше счастье, солнцеподобные звезды очень стабильны и не позволяют себе такого поведения. Но 100 тысяч пожилых звезд-гигантов уже показали «Гайе» свое непостоянство. Сейчас изучение открытых «Гайей» звезд со звездотрясениями идет в паре с телескопом TESS, а в будущем астрономы намереваются привлечь и планируемый к запуску в 2026 году космический телескоп PLATO.

Астрогенеалогия

Химический состав звезд позволяет установить их возраст и даже место появления. Светила, в основном состоящие из водорода и гелия, появились очень давно, когда во Вселенной, собственно, почти ничего другого и не было. И напротив — если в спектре звезды присутствуют более тяжелые элементы, значит, она образовалась намного позже, когда самые древние звезды уже взорвались, распространив по окрестностям всю таблицу Менделеева. Логично предположить, что схожие по химическому составу звезды родились в одно время, а скорее всего, и рядом друг с другом. Может, даже из одного родительского облака газа и пыли. Таким образом, наблюдения «Гайи» позволяют восстановить астрогенеалогическое древо нашей Галактики.

Кроме того, предыдущие релизы «Гайи» зафиксировали целые потоки звезд, которые не могли родиться в нашей Галактике. Эти звезды (часть из которых даже крутится в обратную сторону!) вытянулись гигантскими арками на задворках Галактики и являются остатками карликовых галактик, которые несколько миллиардов лет назад поглотил Млечный Путь. Пока мы знаем о шести таких галактиках, но астрономы уверены, что новый релиз данных еще сможет их удивить.

Межзвездная пыль

Межзвездная пыль поглощает свет, причем по-разному в разных длинах волн. Она искажает истинные цвета звезд и галактик и мешает их изучению. Карты галактической пыли так же важны для астрономов, как карты подводных течений и мелей для моряков. Недаром карта межзвездной пыли, составленная астрофизиком Давидом Шлегелем в 1998 году, до сих пор остается одной из самых цитируемых работ во всей астрофизике.

Теперь на смену ей должна прийти карта пыли от «Гайи» — именно поэтому около 20% всех данных DR3 составляет распределение пыли в нашей Галактике. Если измеренный спектр звезды сильно отличается от шаблона (теоретически рассчитанного спектра звезды такого же класса, но наблюдаемого в идеальных условиях, то есть совсем без пыли), ученые могут рассчитать количество пыли, лежащей на линии между нами и звездой. Эта же пыль будет влиять и на цвет всех более далеких объектов, которые будут изучать уже другие телескопы — но теперь с учетом этого фактора. Кроме того, именно в таких пылевых мешках формируются новые звезды (эти области называют «звездными яслями») — «Гайя» надежно нанесла на карту звездного неба и эти участки Млечного Пути.

Внегалактические источники

Конечно, есть множество телескопов, более подходящих для изучения других галактик. В конце концов, «Гайя» разрабатывалась для других целей. Но гигантская камера, которая почти равномерно фотографирует все небо, оказалась отличным инструментом, чтобы открывать и наблюдать объекты, максимально удаленные от Млечного Пути, — другие галактики и даже квазары.

Квазары — это молодые галактики со сверхмассивной черной дырой в центре, которые светят в тысячи раз ярче обыкновенных галактик, и поэтому мы их видим даже на гигантских расстояниях. «Гайя» обнаружила 1,8 миллиона таких квазаров — не бог весть какое число по сравнению с количеством открытых звезд. Но, во-первых, это пример очень «чистого» и однородного каталога, который очень ценится у астрономов, а во-вторых, эти открытия хорошо показывают мощь телескопа, который даже на неосновных направлениях работы способен совершать открытия мирового значения.

Новые данные телескопа уже востребованы учеными и будут использоваться еще многие годы. В том числе и в России

Работники коллаборации «Гайя» подчеркивают, что это только самые очевидные примеры, как можно воспользоваться опубликованными данными. С момента их публикации 13 июня тысячи астрофизиков уже начали обращаться к серверам, запрашивая необходимую им информацию. На сайте «Гайя» можно посмотреть интерактивную карту запросов и статистику за последние 24 часа. Отрадно, что, несмотря на продолжающуюся войну в Украине и множество обрубленных связей в научном мире, российские ученые тоже имеют свободный доступ к данным. На момент написания этой статьи серверы обрабатывали 39 запросов данных из Москвы. Каких именно — мы узнаем через несколько месяцев, когда начнут выходить первые статьи, основанные на данных «Гайя» DR3.

Все данные третьего релиза находятся в свободном доступе. Объем документации с инструкциями по доступу и работе с данными может отпугнуть — все-таки это 1580 страниц.

Но не обязательно быть специалистом, чтобы получить удовольствие от данных «Гайи». Европейское космическое агентство выложило на своем сайте множество историй от астрономов и ученых, которые работают над данными «Гайи», а также красивых картинок (с популярным объяснением), некоторые мы использовали для этого текста.

Уже сейчас коллаборация «Гайя» работает над четвертым релизом данных по результатам пяти с половиной лет работы телескопа — ждем 2024 года. Кроме этого, сейчас Европейское космическое агентство строит космический телескоп Euclid, который станет «„Гайей“ для галактик» и будет картографировать миллионы галактик для того, чтобы лучше понять строение всей Вселенной, изучать темную материю и темную энергию.