Misija Gaia: objavljeni prvi rezultati

V konzorciju za obdelavo podatkov misije Gaia astronomi s FMF sodelujemo že od leta 2000 skupaj s približno petsto kolegi iz vse Evrope!

Ko se nam v brezmesečni noči oči prilagodijo na temo, se zavemo bogastva nočnega neba. Tako je od nekdaj, na vprašanja o globini vesolja so odgovore iskale vse kulture. Od včeraj vemo več. Prva javna objava rezultatov satelita Gaia Evropske vesoljske agencije predstavlja daleč najnatančnejšo zvezdno karto doslej. Objavlja razdalje do več kot 2 milijonov zvezd, meritve položajev na nebu in sijev 1,1 milijarde zvezd ter lastnosti nekaj tisoč utripajočih zvezd. S temi številkami, ki za desetkrat ali stokrat presegajo dosedanje sezname, ter s tekočimi Gajinimi meritvami razdalje še tisočkrat toliko zvezd, naša Galaksija dobiva globino. Gibanjem njenih zvezd bomo lahko sledili nazaj vse do njenega nastanka in se tako naučili, kakšna je sestava in nastanek naše kot ene od običajnih galaksij v vesolju. 

Zvezde so zelo daleč. Če bi naše Sonce pomanjšali na velikost pomaranče, bi bila v tem merilu najbližja zvezda za Soncem mandarina na Kanarskih otokih, Zemlja pa milimetrsko zrno petnajst metrov od Sonca. Ker so razdalje do zvezd mnogo prevelike za vesoljska potovanja, si pomagamo s stereoskopskim pogledom. Podobno kot razdaljo do bližnjega predmeta naši možgani določijo s primerjavo slik levega in desnega očesa, merimo tudi razdalje v vesolju. Velike razdalje zahtevajo čimvečji premik med slikami. Gaia si pomaga tako, da skupaj z Zemljo potuje po krogu s polmerom 150 milijonov kilometrov okoli Sonca in skozi leta opazuje drobne premike smeri proti zvezdam. Taka meritev razdalje do najbližjih zvezd je leta 1838 uspela Friedrichu Besslu. Vendar Gaia ne meri le razdalj do najbližjih zvezd, ki smo jih ponazorili s po Zemlji porazdeljenimi mandarinami  in zrnom opazovalca, ampak pogled razširja čez večino naše Galaksije. Tako oddaljene zvezde bi v merilu mandarin in pomaranč rastle na bližnjih planetih. 

Tridimenzionalna karta zvezd, na kateri je 20-krat toliko objektov kot doslej, vsak pa je zmerjen trikrat natančneje, kot nam je to uspelo doslej. Foto: ESA/Gaia

Najnatančnejše meritve razdalj do zvezd doslej je v devetdesetih letih prispeval evropski satelit Hipparcos. Pri opazovanju iz vesolja ni bilo težav s plesanjem slike zvezd, ki jo pri opazovanju z Zemlje povzroča njeno ozračje. Hipparcos je tako uspel določiti razdaljo do 118 tisoč bližnjih zvezd. Cilj satelita Gaia je meritev razdalj in gibanja več kot milijarde zvezd, torej približno odstotka vseh zvezd v naši Galaksiji. Ker je vzorec izbran naključno, je to dovolj za spoznavanje njene strukture in razvoja. Velike razdalje do teh zvezd pomenijo, da mora biti Gaia sposobna meriti izjemno majhne premike njihove smeri, ki so posledice Gajinega kroženja okoli našega Sonca. Gaia meri smeri proti zvezdam s točnostjo stotisočinke ločne sekunde, to je stokrat natančneje od njenega predhodnika Hipparcosa. Tako majhen kot bi oklepala debelina človeškega lasu, če bi ga opazovali preko Atlantika. 

Prikaz barv in sijev zvezd: levo je diagram še brez Gajinih meritev, desno pa so iste zvezde narisane z Gajinimi meritvami razdalje. Izurjeno oko vidi občutno boljšo točnost meritev, rdeči skupek desno zgoraj se na primer po obliki bistveno bolje sklada z astrofizikalnimi napovedmi. Foto ESA/Gaia/DPAC

Prikaz barv in sijev zvezd: levo je diagram še brez Gajinih meritev, desno pa so iste zvezde narisane z Gajinimi meritvami razdalje. Izurjeno oko vidi občutno boljšo točnost meritev, rdeči skupek desno zgoraj se na primer po obliki bistveno bolje sklada z astrofizikalnimi napovedmi. Foto ESA/Gaia/DPAC

Tako točnih meritev ni mogoče opravljati v bližini Zemlje in Lune, saj se svetloba, ki jo odbijata proti krožečemu satelitu, stalno spreminja. Zato je Gaia 1,5 milijona kilometrov od Zemlje v smeri proč od Sonca, tako da sta Zemlja in Luna proti njej vedno obrnjeni z neosvetljeno stranjo. Skupni privlak Zemlje in Sonca poskrbi, da bo Gaia ob majhnih popravkih tira na tem mirnem opazovališču vztrajala do leta 2023. Seveda tako oddaljen tir pomeni, da sonde ni mogoče servisirati, visoka pa je tudi cena izstrelitve za vsak kilogram, ki ga želimo spraviti v tako oddaljen tir. Leta 2004 je na primer 10 ljudi delalo vse leto, da so našli način, kako maso spektroskopskega instrumenta na krovu ob enaki funkcionalnosti zmanjšati za nekaj kilogramov. Meritve kotov, ki ustrezajo debelini lasu, če bi ga gledali preko Atlantika, pomenijo tudi, da ni mogoče enostavno slikati neba in opazovati, kako se bližnja zvezda premika glede na  nepremikajoče zvezde v ozadju. Pri tej točnosti nepremikajočih zvezd ni, zato Gaia premikov ne meri lokalno, ampak združuje sliko dveh teleskopov na krovu, med katerima je kot 106,5 stopinje,  Gajine meritve so torej podobne ogromnemu številu meritev z orjaškim šestilom, ki med skeniranjem neba meri kote med vedno novimi približno 106 stopinj oddaljenimi zvezdami. Več kot sto milijard meritev kotov bo končno rodilo globalno meritev razdalj in gibanj nekaj več kot milijarde zvezd v Galaksiji. To ni preprosta naloga, v konzorciju za obdelavo podatkov podpisani sodelujemo s približno 500 kolegi iz vse Evrope. 

 

Gaia z meritvijo smeri in oddaljenosti zvezde umešča v trodimenzionalni prostor. Za razkritje dinamike in zgodovine Galaksije manjka še njihova hitrost. Prečno gibanje glede na Zemljo ob poznani razdalji izračunamo iz počasnega vrtenja smeri proti zvezdi s časom. Manjka še radialna hitrost približevanja oziroma oddaljevanja, ki jo Gaia izlušči z meritvijo Dopplerjevega premika s spektroskopom na krovu. Meritev brez poznavanja tipa zvezde ne bi bila dovolj natančna, pa tudi sicer bi o naravi zvezd radi izvedeli kaj več, zato Gaia pomeri še porazdelitev jakosti svetlobe zvezde po vidnem in bližnjem infrardečem območju. Rezultat je popolna kinematično prostorska slika zvezd različnih tipov, iz katere lahko ugotovimo preteklost in sklepamo o prihodnosti našega galaktičnega doma. 

Umetniški prikaz satelita Gaia, v ozadju Rimska cesta. Foto: ESA/Gaia

Seveda niti Gaia ne zmore vsega. Podrobna določitev kemične sestave zvezd ali iskanje primerov zvezd, ki se nahajajo v kratkoživih fazah zvezdne evolucije, je zato glavni cilj podrobnih spektroskopskih pregledov, narejenih s teleskopi na Zemlji. Pregled neba RAVE z meritvami radialne hitrosti in podrobno karakterizacijo zvezd tako predstavlja edinstveno dopolnitev trenutnih rezultatov misije Gaia, medtem ko bosta pregleda Gaia-ESO in Galah izjemno pomembna v prihodnje. Prvi je pomeril kemično sestavo več kot sto tisoč zvezd, ki so za tovrstno meritev s satelitom Gaia pretemne, drugi pa meri podrobno kemično zastopanost kar 28 elementov periodnega sistema za približno milijon zvezd. 

Slovenci smo v misiji Gaia aktivni od leta 2000, ko smo sodelovali pri določanju njenih znanstvenih zahtev, zlasti na področju dvojnih zvezd. V preteklih letih smo prispevali del računalniške kode za obdelavo podatkov s spektroskopa na krovu. Ker smo edina skupina, ki sodeluje tudi v vseh zgoraj omenjenih spektroskopskih pregledih neba, kar je predvsem posledica znanja avtomatizacije obdelave in interpretacije spektroskopskih podatkov, smo tudi vezni člen med temi pregledi in misijo Gaia. Gaia med pregledovanjem neba pogosto odkrije nenavaden objekt ali izbruh, ki se je včasih zgodil celo v kakšni oddaljeni galaksiji. Podpisani v sodelovanju z Juretom Japljem, ki je sedaj na Observatoriju v Trstu, take objekte skušamo spremljati na Astronomskem observatoriju na Golovcu, še mnogo zmogljivejši pa je teleskop Liverpool na Kanarskih otokih, s katerim tovrstne objekte opazujeta Aurora Clerici in Andreja Gomboc z Univerze v Novi Gorici. Pri piljenju klasifikacije objektov, odkritih z Gaio, je aktiven Gal Matijevič z Astrofizikalnega instituta v Potsdamu, medtem ko so težišče dela Andreja Prše z univerze Villanova predvsem dvojne in večkratne zvezde. Akademska in raziskovalna sfera tudi sicer uspešno sodeluje z Evropsko vesoljsko agencijo. Poleg dela na projektih je tu še izobraževanje študentov, ki so tako v stiku z najnaprednejšimi tehnologijami in se navajajo na delo v kompetitivnem in ustvarjalnem mednarodnem okolju, rezultat pa je tudi marsikateri odmeven doktorat ali objava. 

Članek je bil objavljen 14. septembra 2016 v časniku Delo.