Телескоп «Гея»
Телескоп «Гея»
На фото — коробка песочного печенья с крышкой в виде космического телескопа Gaia («Гея»). Таким забавным образом команда телескопа решила отметить четвертую годовщину его запуска в декабре 2017 года. Этот телескоп, разработанный Европейским космическим агентством, был выведен в космос ровно 10 лет назад, 19 декабря 2013 года, ракетой «Союз-СТ-Б» с космодрома Куру во Французской Гвиане.
Через три недели он достиг своего пункта назначения — гало-орбиты вокруг точки Лагранжа L2 системы Солнце–Земля. Эта точка — излюбленное место расположения космических обсерваторий: здесь наблюдениям не мешает ни земная атмосфера, ни световое загрязнение. В ее окрестностях располагаются (или располагались) такие телескопы, как «Гершель», «Джеймс Уэбб» (см. картинку дня Золотые соты «Джеймса Уэбба»), «Планк», «Спектр-РГ» (см. картинку дня Рентгеновская обсерватория «Спектр-РГ»).
Телескоп «Гея» (обведен красным) на изображениях, полученных телескопом VLT в январе 2014 года (см. картинку дня Четверть века VLT).
Проверка и калибровка оборудования заняли около полугода, и в июле 2014 года «Гея» приступила к работе. «Гея» — это телескоп оптического диапазона, его основная цель — создание самого полного и точного каталога звезд Млечного пути. Полученные телескопом данные помогут ученым лучше понять происхождение, структуру и эволюцию нашей галактики. В поле интересов «Геи» находятся не только звезды: телескоп способен идентифицировать практически любые объекты со звездной величиной 20,7 (это почти в миллион раз слабее, чем может увидеть невооруженный глаз) и ярче. Поэтому в создаваемый им каталог заносятся и объекты иных типов: квазары, экзопланеты, малые планеты (включая астероиды) и кометы. Попадают в него и звезды других галактик.
Карта астероидов Солнечной системы по состоянию на 13 июня 2022 года, составленная по данным «Геи». Позиция каждого астероида показана дугой, изображающей его положения за 10 дней.
На ранних этапах разработки проекта планировалось, что работа телескопа будет основана на принципе интерферометрии, что нашло отражение в его названии: GAIA — сокращение от Global Astrometric Interferometer for Astrophysics («глобальный астрофизический астрометрический интерферометр»). Впоследствии от использования интерферометрических методов отказались, и название перестало быть акронимом, однако менять его уже не стали: телескоп так и остался носить имя древнегреческой богини Земли. Кстати, по любопытному совпадению телескоп оказался тезкой одного из звездолетов из советского фильма 1980 года «Через тернии к звездам» под именем «Гайя».
Телескоп похож на огромную крышку кастрюли: ручка — это цилиндрический отсек со всем оборудованием, а крышка — солнцезащитный козырек диаметром десять метров. На стороне козырька, обращенной к Солнцу, расположены солнечные батареи. «Гея» оснащена тремя научными инструментами — астрометрическим прибором, фотометром и спектрометром.
Макет
Астрометрический прибор определяет положения звезд на небесной сфере с точностью от нескольких единиц до нескольких сотен угловых микросекунд в зависимости от их яркости (для наглядности приведу сравнение: компакт-диск, оставленный на Луне, был бы виден с Земли под углом 60 угловых микросекунд). Многократные наблюдения звезд (а «Гея», используя сложный алгоритм разворотов, сканирует всю небесную сферу, наблюдая каждый объект в среднем 14 раз за год), дают возможность определить как расстояния до них, основываясь на эффекте параллакса (см. Parallax in astronomy), так и скорости их перемещения по небесной сфере. Разрешающая способность прибора такова, что он способен идентифицировать до 750 тысяч звезд на участке неба площадью 1 кв. градус (1 deg2, см. Square degree, см. также Телесный угол).
Фотометр позволяет классифицировать наблюдаемые объекты и определить светимость (а для переменных звезд — также построить кривые блеска), эффективную температуру, цвет, массу, металличность и возраст звезд.
Карта металличности Млечного пути по данным «Геи». Звезды с наибольшей металличностью отмечены красным, с наименьшей — фиолетовым и синим.
Спектрометр определяет химический состав звезд, скорости их вращения вокруг собственной оси и доплеровское смещение спектральных линий поглощения химических элементов, по которому можно вычислить лучевую скорость звезды, то есть ее скорость в направлении к или от Земли. Правда, спектрометр способен работать лишь со звездами ярче 16–17-й звездной величины, а некоторые характеристики он может определять, только начиная с 11–12-й величины. Помимо перечисленного, измерения фотометра и спектрометра позволяют определить межзвездное покраснение, то есть видимое покраснение света удаленных звезд из-за рассеяния, вызванного межзвездной пылью.
Инфографика, иллюстрирующая возможности приборов «Геи».
Чтобы уменьшить помехи при наведении телескопа, конструкторы постарались сделать как можно меньше движущихся частей: это только клапаны реактивных двигателей. Для управления ориентацией используются двигатели, работающие на «холодном» сжатом азоте (см. Cold gas thruster): реактивная тяга создается за счет истечения газа из резервуара, без сгорания топлива. А за коррекцию орбиты отвечает двигатель, работающий на метилгидразине и тетраоксиде диазота. Всё оборудование закреплено на жесткой раме из карбида кремния, которая слабо подвержена расширению, сжатию или скручиванию при изменении температуры. Да и температурные перепады не очень велики: орбита «Геи» устроена так, что Солнце не закрывается Землей, то есть аппарат никогда не попадает в тень.
Изначально миссия телескопа была рассчитана на пять лет; в 2018 году ее продлили до 2020 года. Позже сроки продлевались еще дважды. Сейчас окончание миссии запланировано на второй квартал 2025 года: предполагается, что к этому сроку будет израсходован азот, необходимый для коррекции ориентации.
«Гея» — наследник телескопа «Гиппарх» (Hipparcos), занимавшегося аналогичными исследованиями в 1989–1993 годах. За 25 лет, прошедших между созданием этих двух аппаратов, технологии настолько шагнули вперед, что точность результатов «Геи» во много раз выше, чем у ее предшественника (так, астрометрическая информация «Геи» примерно в 100 раз точнее). Результаты исследований «Геи» оформляются в виде общедоступных релизов, выходящих раз в несколько лет. Последний на сегодня релиз, DR3 (Data Release 3), был опубликован в 2020–2022 годах: он содержит информацию примерно о 1,8 миллиарде объектов, что в 1,5 с лишним раза больше, чем в первом релизе, DR1 (и в 700 раз больше, чем в каталоге Tycho-2, обобщившем результаты работы «Гиппарха»). Каждый новый релиз превосходит предыдущий не только количественно, но и качественно: благодаря многократному наблюдению одних и тех же объектов он содержит более точные данные.
Карта лучевой скорости звезд Млечного пути (их здесь почти 26 миллионов) по данным релиза DR3. Синим отмечены звезды, сближающиеся с Землей, красным — удаляющиеся; чем насыщеннее цвет, тем больше скорость.
Релизы выходят с запаздыванием в несколько лет: столько времени уходит на обработку результатов измерений. Так, DR3 основан на измерениях, проведенных в первые три года работы телескопа. Примерно 150 тысяч записей каталога DR3 относятся к объектам из Солнечной системы (в подавляющем большинстве это астероиды главного пояса): предполагается, что к концу миссии «Гея» каталогизирует 350 тысяч таких объектов.
«Гея» в представлении художника. Фоновое изображение Млечного пути составлено на основе данных о яркости и цвете более чем 1,8 миллиарда звезд, опубликованных в DR3. Изображение с сайта commons.wikimedia.org
Коротко о некоторых других результатах «Геи». Уже в августе 2014 года, всего через месяц после начала работы, «Гея» открыла свою первую сверхновую (типа Ia): звезда из галактики SDSS J132102.26+453223.8, удаленная от нас на 500 миллионов световых лет, получила название Gaia14aaa. «Гея» наблюдала эту галактику дважды, 31 июля и 30 августа, и за месяц звездная величина галактики уменьшилась примерно на две единицы (что соответствует увеличению яркости в 6 раз), что и дало возможность сделать вывод о вспышке сверхновой.
Кривая блеска галактики SDSS J132102.26+453223.8. По вертикальной оси отложена звездная величина. Фото с сайта sci.esa.int
А в 2018 году была открыта целая галактика Насос 2, являющаяся спутником Млечного пути: у нее крайне низкая поверхностная яркость (галактики сходных размеров, как правило, в тысячи раз ярче), что долгое время затрудняло ее обнаружение (про галактики-спутники см. новость У Млечного пути нашлись еще четыре спутника, «Элементы», 29.08.2006 и статью Звездные острова: галактики).
Завершу рассказ о телескопе забавным фактом из его биографии. В 2015 году система телескопов Pan-STARRS обнаружила обращающийся вокруг Земли объект, который был занесен в циркуляр малых планет под номером HP116. Вскоре, однако, выяснилось, что «малая планета» HP116 — не что иное, как «Гея»; запись пришлось удалить из каталога.
Фото © Paolo Tanga с сайта cosmos.esa.int.
Алексей Деревянкин
