Tikra atradimų mašina - Gaia kosminė misija: kaip padėjo atskleisti žvaigždžių praeitį, konstatuoti dabartį ir numatyti ateitį

Pagrindinis Gaia kosminės misijos tikslas – matuoti atstumus iki žvaigždžių ir jų pozicijas, judėjimą. Tai labai aktuali užduotis, nes atstumų matavimas Visatoje itin svarbus: artimi objektai atrodys ryškesni, tolimi – blyškesni. Klaidingai įvertinus objektų šviesį, (išskiriamą spinduliuotę), klaidingai charakterizuosime ir kitas šių objektų savybes, kurios remiasi šviesiu: jų evoliucijos stadiją, amžių, temperatūrą, cheminę sudėtį ir, atitinkamai, jų sudaromų populiacijų savybes.

Aišku, žvaigždės šviesį nustatyti galima įvairiai. Tačiau dauguma tokių metodų turi svarbų trūkumą: jie remiasi (nebūtinai paprastais) skaitmeniniais modeliais, kurie, savo ruožtu, remiasi prielaidomis. Tuo tarpu paralakso matavimas remiasi gan elementaria trigonometrija, su kurios praktiniu pritaikymu dažnam teko susipažinti per matematikos pamokas mokykloje. Šio metodo principas paprastas: reikia išmatuoti, kiek, stebėtojui judant, pakinta tiriamo objekto atvaizdas gerokai tolimesnio fono atžvilgiu.

Mokykloje paprastai taip „matuojamas“ atstumas iki medžio ar panašaus objekto. Čia atstumai „žemiški“ ir norint juo įvertinti, stebėtojui toli judėti nereikia. Bet žvaigždės gerokai toliau, nei bet kuris medis, todėl ir stebėtojui savo padėtį reikia gerokai pakeisti: per Žemės orbitos skersmenį. Gaia pasiekė antrąjį Lagranžo tašką (L2), vieną iš gravitaciškai stabilių Žemės orbitos taškų, 2014 metų sausį (tokiuose taškuose teleskopui nereikia eikvoti energijos skrieti aplink Saulę dėl gravitacinės Saulės ir Žemės sąveikos).

Pats Gaia erdvėlaivis sukasi apie savo ašį ir savo dviem teleskopais stebi daugiau, nei milijardą žvaigždžių, fokusuodamas šviesą į didžiausią į iki šiol kosmosą iškeltą CCD kamerą, kurios jutiklį sudaro beveik milijardas pikselių. Vidutiniškai kiekviena žvaigždė bus stebima maždaug po 70 kartų ir bus sukaupta apie 1 petabaitas (1 petabaitas) duomenų.

Palyginimui, astrometrijos (žvaigždžių pozicijų stebėjimo) pradininkas Hipparchus 129 metais prieš Kristų išmatavo tūkstančio žvaigždžių pozicijas vieno laipsnio tikslumu (tai atitinka žmogaus ūgį stebint 100 metrų atstumu). Šešioliktame amžiuje Tycho Brahe sekstantais ir kvadrantais pagerino astrometrijos tikslumą iki pusės arkminutės (arkminutė yra 1/60 laipsnio). 1609 m. išradus teleskopą, iki aštuoniolikto amžiaus astrometrijos tikslumą pavyko pagerinti iki arksekundžių (1/60 arkminutės), o devynioliktajame – jau ir arksekundžių dalys nebuvo nepasiekiamos. Iki tol buvo galima matuoti tik žvaigždžių pozicijas danguje, bet atstumo nustatymas buvo neįmanomas: net artimiausių žvaigždžių paralaksas (kiek laipsnių pasikeičia žvaigždės padėtis per šešis mėnesius, t.y. priešingose Žemės orbitos padėtyse) nesiekia vienos arksekundės. Be to, stebėjimus apsunkina antžeminių matavimų rezultatus iškraipanti ir pasiekiamą tikslumą natūraliai ribojanti Žemės atmosfera.

Viename petabaite tilptų maždaug 13,3 metų HDTV turinio. Tai būtų apie 58 292 filmų

Vienintelis būdas tikslesniems paralaksų matavimams – stebėti iš kosmoso. 1989 m. Europos Kosmoso Agentūra (angl., European Space Agency- ESA) paleido Gaia misijos pirmtakę – Hipparcos kosminę misiją. Taip stebėjimų tikslumą pavyko pagerinti šimteriopai, iki vienos miliarksekundės. 5 metus trukusios (1989 – 1993) misijos metu buvo surinkti beveik 120 000 žvaigždžių iki 200 kartų tikslesni duomenys, kurie 1997 m. publikuoti Hipparcos kataloge. Šios misijos stebėjimų pagrindu išleistas ir Tycho katalogas, kur mažesniu tikslumu pateikiami duomenys apie 2 500 000 žvaigždžių. Gaia šiame pagerins stebėjimų tikslumą dar 200 kartų ir suteiks 10 000 kartų daugiau duomenų!

Bet kaip ir dauguma fundamentaliojo mokslo tyrimų, Gaia misija neapsiriboja vien žvaigždžių atstumų įvertinimu. Žinios apie individualių žvaigždžių judėjimą leis atskirti skirtingos kilmės žvaigždes, o vėliau nustatyti ir detalią šių žvaigždžių cheminę sudėtį (šiuose tyrimuose aktyviai dirba ir Vilniaus universiteto mokslininkai). Žvaigždės formuojasi iš dujų debesų, kurie, priklausomai nuo aplinkos, gali būti skirtingai praturtinti ankstesnių žvaigždžių susintetintais sunkesniais už helį elementais (Didžiojo sprogimo metu buvo susidarė tik vandenilis, helis ir palyginus labai mažai ličio).

„Keistos“ cheminės sudėties žvaigždės (t.y. kitokios nei Galaktikos disko, kuriam priklauso absoliuti dauguma mūsų aplinkos žvaigždžių) dažnai taip pat pasižymi dideliais greičiais, nes jos formavosi ne Galaktikos diske ir, gravitaciškai jo veikiamos, artėja ir tolsta. Tačiau netgi tarp panašiai judančių žvaigždžių aptinkami netipiški, specifinės cheminės sudėties egzemplioriai, veikiausiai susiformavę žvaigždžių spiečiuose už Galaktikos ribų ar kitose galaktikose. Tokias struktūras absorbuodama, Galaktika jas suardo, tačiau lieka tokio įvykio pėdsakas – neįprasta cheminė sudėtis.

Taip pat, nežymūs žvaigždžių judėjimai gali išduoti aplink jas skriejančias planetas. Gaia stebėjimų tikslumo pakanka aptikti Jupiterio masės planetas aplink žvaigždes ir prognozuojama, kad tokių planetų bus aptikta nuo tūkstančio iki dešimčių tūkstančių.

Gaia gebėjimas matuoti neryškių objektų judėjimus taip pat pasitarnaus asteroidų stebėjimams. Gaia L2 taške galės stebėti arti Saulės ar tarp Žemės ir Saulės (stebėti asteroidus dieną problematiška) esančius ir iš Žemės nematomus asteroidus. Planuojama stebėti apie 200 000 asteroidų pozicijas, sukimąsi ir paviršiaus savybes – tai reikšmingai pagerins žinias apie jų orbitas ir padės atrasti naujų asteroidų ar kitų artimų Žemei kosminių kūnų.

Gaia misija taip pat leis susieti kometų lietus su galimai juos sukėlusiais prasilenkimais su artimomis žvaigždėmis. Kometų lietūs kyla, kai Saulės sistemos pakraščiuose esančius kosminius kūnus gravitaciškai paveikia pro šalį praskriejanti kita žvaigždė. „Pakraštinių“ objektų orbitos destabilizuojamos ir šie pradeda skrieti pro vidines Saulės sistemos dalis vienoje kinematinėje grupėje. Tiksliai įvertinus tiek kometų, tiek artimiausių žvaigždžių judėjimą, bus galima dekonstruoti kometų orbitas ir susieti su artimų žvaigždžių prasilenkimais.

Toliau, Gaia gebėjimas masiškai aptikti itin neryškius objektus gali padėti spręsti rudųjų nykštukių trūkumo problemą. Rudosios nykštukės yra tokie objektai, kurie formuojasi kaip ir kitos žvaigždės, bet jų masės nepakanka, kad prasidėtų „normalios“ vandenilio vertimo heliu branduolinės sintezės reakcijos. Tokių objektų didžiąją spinduliavimo dalį sudaro infraraudonieji spinduliai – šiluma. Tik bėda, kad, nors tokių objektų, remiantis dabartinėmis žiniomis apie žvaigždėdarą, turėtų būti itin daug, mes jų stebime gerokai mažiau. Tad, Gaia misija galėtų arba aptikti gerokai daugiau rudųjų nykštukių, nei bet kada anksčiau, arba patvirtinti jų trūkumą lyginant su prognozėmis.

Kadangi Gaia misijos metu žvaigždžių ryškiai bus matuojami vidutiniškai 70 kartų, taip pat galima tikėtis aptikti ir supernovas, kol jos dar nepasiekė maksimalaus ryškio. Šių žvaigždžių sprogimų maksimalus ryškis – itin svarbus parametras, nes remiantis juo, galima įvertinti atstumą iki supernovos, o kadangi jos gerokai šviesesnės už įprastas žvaigždes, šis atstumas gali būti gerokai didesnis, – supernova gali sprogti netgi kitoje galaktikoje. Tik bėda, kad supernovų sprogimai dažniausiai fiksuojami jiems jau įvykus ir maksimalų jų ryškį atkurti sudėtinga. Per penkis Gaia misijos metus planuojama stebėti dešimtis tūkstančių tokių sprogimų ir supernovas identifikuoti laiku ir stebėti jas detaliau.

Kaip ir Žemė nėra plokščia, taip ir kosminė erdvė tokia nėra. Tik trimatę erdvę iškraipo itin masyvių objektų gravitacija. Gaia jautrumas toks didelis, kad svarbus ir šis efektas. Praktiškai tai veikia kaip lęšis, keičiantis šviesos sklidimo kryptį ir/ar fokusuojantis šviesą. Tai unikali galimybė patikrinti Einšteino Bendrąją reliatyvumo teoriją beprecedenčiu tikslumu, įvertinti maksimalų gravitacinių bangų – itin energingų įvykių sukeltus erdvėlaikio sutankėjimus ir praretėjimus – stiprumą.

Pirmieji Gaia misijos rezultatai buvo pristatyti 2016 m. rugsėjo 14 d. Jie parengti, remiantis 14 mėnesių trukusiais stebėjimais ir apima 1,1 milijardo žvaigždžių poziciją ir ryškį, o 2 milijonų iš jų – dar ir atstumą bei kinematinius parametrus. Šio duomenų paketo paviešinimas buvo skirtas labiau testavimui, siekiant įsitikinti, kad stebėjimų strategija ir duomenų apdorojimo sistema pasiteisina. Išties, Gaia duomenys suderinami su ankstesniais stebėjimais (t.y. neaptikta sisteminių klaidų ar neatitikimų) ir, remiantis jais, paskelbta daugiau nei 300 aukščiausio lygio mokslinių publikacijų, daugiau nei 700, įskaitant konferencinius darbus ir dar gerokai daugiau publikacijų remiantis šiais antriniais šaltiniais (palyginimui, vidutiniškai aukščiausio lygio astronomijos mokslinis darbas cituojamas tokio paties lygio publikacijose apie keturis kartus). Būtent sujungimas su ankstesniais Hipparcos stebėjimais leido išmatuoti minėtų dviejų milijonų žvaigždžių judėjimą ir atstumus iki jų.

Mokslininkai netruko pasinaudoti Gaia duomenimis ir pateikė gerokai daugiau astronomijai svarbių rezultatų. Martin Altmann su bendraautoriais apjungė Gaia misijos rezultatus su panašaus pobūdžio 900 milijonų žvaigždžių ir galaktikų antžeminiais stebėjimais vykdytais 2010 m. ir įvertino 583 milijonų žvaigždžių judėjimo orbitas. Amina Helmi su bendraautoriais, pasinaudodami pirminio katalogo duomenimis, aptiko reikšmingą kiekį žvaigždžių Galaktikos hale (sferoidinė, palyginus su Galaktikos disku reta Galatikos dalis, apimanti didžiausią Galaktikos tūrį), kurios sukasi priešingai Galaktikos sukimosi ašiai ir greičiausiai yra Paukščių Tako absorbuotos galaktikos liekanos.

Semeyong su bendraautoriais atrado daugiau nei 13 000 žvaigždžių porų ar grupių Galaktikos hale, kurios greičiausiai buvo išsviestos iš tų pačių žvaigždžių spiečių (svarbu suprasti halo žvaigždžių kilmę ir kokia dalis jų yra užgalaktinės kilmės, kokia dalis iš Galaktikos spiečių, kokia – iš kitur). Taip pat pirmieji Gaia misijos rezultatai leido įvertinti 3000 kintamųjų žvaigždžių ir 2000 kvazarų. Šie objektai naudojami kaip astronomų orientavimosi kosminėje erdvėje koordinačių sistemos atskaitos taškai. Coryn Bailer-Jones atrado 16 žvaigždžių, kurios pro Saulę praskries gan greitai 6.5 šviesmečių atstumu.

„Gan greitai“ reiškia, kad artimiausias prasilenkimas planuojamas už 1,3 milijonų metų. Šie prasilenkimai turėtų būti pakankamai artimi, kad destabilizuotų Saulės sistemos pakraščių kūnus ir sukeltų naujus kometų lietus. Tommasso Marcheti su bendraautoriais atrodo 80 hipergreitų žvaigždžių, naudodamiesi dirbtinio intelekto algoritmais. Šios žvaigždės tokios greitos, kad išskries iš Galaktikos ir joms tokį greitį galėjo suteikti tik sąveika su itin masyviais kūnais, pavyzdžiui, masyvia juodąja skyle Galaktikos centre. Bent šešių iš 80-ies atrastų žvaigždžių atveju buvo patvirtinta, kad jos išties atskriejo iš Galaktikos centro. Dar daugiau Gaia stebėjimais besiremiančių atradimų aptariama Kastyčio Zubovo straipsnyje.

Antroji Gaia stebėjimų dalis buvo išleista prieš du mėnesius, balandžio 25 d. Šie duomenys apima 22 mėnesius stebėjimų, atstumus iki 1,7 milijardo žvaigždžių. Tarp ankstyvų šiuo katalogu paremtų rezultatų yra vienos iš hipergreitų žvaigždžių trajektorijos atsekimas iki supernovos sprogimo liekanos, patvirtinantis, kad ši žvaigždė buvo išsviesta iš dvinarės sistemos, greičiausiai augančios juodosios skylės atradimas, kuri auga taip sparčiai greitai, kad pasipildo Saulės mase kas dvi dienas ir yra tokia šviesi, kad jei būtų mūsų Galaktikos centre, šviestų dešimt kartų ryškiau, nei pilnatis. Ir tai tik pirmieji antrojo duomenų katalogo rezultatai! Iki galutinio Gaia katalogo išleidimo planuojamas paskelbti dar vieną tarpinį katalogą.