Космический телескоп Gaia предназначен для построения трёхмерной карты расположения и движения звёзд в нашей Галактике.

Когда мы смотрим на небо, мы видим расположение звёзд на двумерной небесной сфере, но измерить расстояние до звезды не так-то просто: если одна звезда более яркая, чем соседняя, это может быть как из-за того, что она просто более близко, так и по причине большей светимости. Человеческий мозг определяет расстояние до окружающих предметов с помощью бинокулярного зрения: если мы посмотрим на один и тот же предмет сначала одним глазом, а затем другим, то заметим, что он немножко смещается относительно неподвижного фона. Аналогом бинокулярного зрения в космических масштабах выступает движение Земли по орбите вокруг Солнца: сегодняшнее расположение звёзд на небе будет немножко отличаться через полгода, когда точка зрения сместится на другую сторону орбиты. Каждая звезда описывает эллипс на небесной сфере, и чем ближе она находится, тем больше диаметр этого эллипса. Это и есть явление параллакса, и с его помощью мы измеряем расстояние до звёзд. Конечно, точность измерений падает с увеличением расстояния, поэтому на практике он применим почти исключительно для звёзд нашей Галактики. Кроме того, звёзды не сидят на месте, прибитые гвоздями, а летают в разных направлениях со скоростями до нескольких сот км/с. Это линейное движение накладывается на эллипсы параллактического движения, и таким образом, траектория каждой звезды на небесной сфере похожа на штопор. Периодически измеряя положение каждой звезды, можно восстановить эту траекторию и определить и расстояние, и собственное движение звезды (две из трёх компонент вектора скорости). Оставшаяся компонента – скорость вдоль луча зрения – измеряется спектроскопически. Вот эти все измерения и являются главной задачей обсерватории Gaia. С Земли такие измерения проводить тяжело – атмосфера искажает и размывает изображение и не позволяет добиться высокой точности определения координат. А мы говорим о точности порядка десятых и даже сотых долей миллисекунды дуги: для сравнения, 10 миллисекунд – это размер монетки на расстоянии Луны, а скорости звёзд, измеряемые Gaia, сравнимы со скоростью роста волос опять же на расстоянии Луны.

Космический телескоп Gaia находится в так называемой точке Лагранжа L2, на расстоянии полутора миллионов километров от Земли в противоположную от Солнца сторону, и движется по орбите синхронно с Землёй. Он был запущен шесть лет назад Европейским космическим агентством, с космодрома во Французской Гвиане (Южная Америка), на ракете "Союз". Выглядит он похожим на шляпу с полями: сторона, обращённая к Солнцу (и Земле) – это десятиметровый диск, служащий солнечным зонтиком, на котором расположены антенны связи и солнечные батареи. С противоположной, теневой стороны находится сам телескоп в цилиндрическом корпусе трёхметрового диаметра. На самом деле это целых два телескопа, объединённые в одну оптическую систему: изображение с двух различных направлений, разделённых углом в 106.5 градусов, собираются и перекрываются на одной CCD-матрице, что позволяет очень точно установить относительную привязку двух отдалённых областей неба. Эта матрица, между прочим, самая большая из когда-либо применявшихся в научных космических телескопах – размером почти метр на полметра и около миллиарда пикселей. Что любопытно, наблюдает Gaia тоже около миллиарда звёзд (на самом деле ближе к двум) – по звезде на пиксель, хотя, конечно, не все одновременно. Вся эта конструкция вращается вокруг своей оси с периодом 6 часов, за которые сканируется такая полоса шириной чуть меньше градуса на небесной сфере. Помимо этого, ось вращения прецессирует с периодом около 60 суток, т.е. каждый последующий скан захватывает немного другой участок неба (опять же перекрываясь с предыдущим для более точной привязки), и за несколько недель телескоп покрывает бóльшую часть неба, кроме области вблизи Солнца, а по мере движения Земли по орбите он может охватить и всю небесную сферу. Первоначальный план работы миссии был рассчитан на 5 лет, но уже сейчас она продлена до 7 лет и, скорее всего, будет работать 9 или 10 лет, пока не кончится топливо для микрокоррекции орбиты. За это время каждая звезда будет зарегистрирована от нескольких десятков до сотен раз. Конечно, это огромный объём данных – каждый день около 50 гигабайт передаются на наземные станции связи, и то в сильно сжатом виде, а за время всей миссии будет накоплено около 1 петабайта (миллион гигабайт) данных.

И кто же использует эти данные? Большинство астрономических обсерваторий, как наземных, так и космических, работают "по заявкам телезрителей". Учёные со всего мира подают заявки на наблюдения различных объектов на конкурс, и только небольшая доля самых многообещающих предложений получает одобрение и реализуется (если, конечно, не помешает погода). Далее у авторов заявки есть некоторое время, обычно пол-года или год, для обработки своих наблюдений и написания статей, а после этого данные попадают в общедоступный архив. Есть немало любителей не тратить время и силы на написание заявок, а изучать эти архивы, в которых можно обнаружить немало интересного. Проект Gaia отличается тем, что данные, после первоначальной обработки, сразу выкладывают в публичный доступ. И таким образом, абсолютно любой желающий может пойти на сайт Gaia Archive, и без всякой регистрации и без СМС использовать эти данные в своих целях. К примеру, некоторое время со мной переписывалась и консультировалась школьница из Голландии, которая делала что-то вроде курсовой работы (я даже не знал, что такое в школе бывает!) на тему различия в кинематике молодых и старых звёзд в Магеллановом облаке на основе данных Gaia. Может быть, и у вас найдётся какая-нибудь интересная задача с применением этих данных?

Теперь о том, какие же открытия принесла нам Gaia на сегодняшний день.

Начнём с простого – с географии: каталог Gaia содержит более полутора миллиардов звёзд, но это всего лишь один процент от общего числа звёзд в нашей Галактике. Свою ближайшую окрестность радиусом в несколько килопарсек мы теперь представляем довольно хорошо, а на более далёких расстояниях – по всей Галактике и даже в её спутниках – видим только более яркие звёзды. Так что уже сейчас мы можем виртуально путешествовать по трёхмерной Галактике, например, в планетарии. Но мы помним, что координаты – лишь половина шестимерного фазового пространства, вторая половина – скорости, которые тоже измеряются очень хорошо.

Зная скорости, можно восстановить гравитационный потенциал, или же распределение массы в Галактике. В самогравитирующих системах в равновесии средняя кинетическая энергия равна половине средней потенциальной – это теорема вириала. Кинетическую энергию мы измеряем напрямую из наблюдения скоростей звёзд, а потенциальная связана с распределением массы, которая, наиболее вероятно, состоит в основном из тёмной материи, иным способом почти не проявляющейся. Конечно, на самом деле методы измерения потенциала используются более сложные, но общая идея именно такая. Это можно назвать строительным делом или сопроматом – определить, как именно нужно подпереть Галактику, чтобы она не развалилась по кусочкам.

Следующий уровень – отклонения от равновесия. Одним из самых интересных открытий Gaia были вертикальные колебания звёзд в галактическом диске. Они похожи на волны, бегущие по поверхности пруда от брошенного камня. В роли камня выступает, вероятнее всего, одна из ближайших галактик-спутников – Стрелец, которая пролетела сквозь диск нашей Галактики (на противоположной от нас стороне) пару сотен миллионов лет назад. Изучая, как эти возмущения распространяются по диску Галактики, как по мембране или струне, мы можем многое выяснить о натяжении или жёсткости этой мембраны, то есть по сути опять же о распределении массы, но уже совершенно независимым способом. Это больше всего похоже на сейсмологию, которая исследует структуру и плотность земной коры по распространению колебаний в ней.

Наша Галактика не возникла вдруг на пустом месте, а постепенно сформировалась из газа, поступающего из межгалактического пространства, и из обломков других галактик-спутников, которые были разрушены приливными силами. Остатки этих галактик сейчас практически полностью перемешались в пространстве координат, однако всё ещё сохраняют некоторую общность в шестимерном фазовом пространстве, группируясь в отдельные популяции звёзд с похожей кинематикой. Изучение истории образования Галактики с помощью таких когерентных структур по праву называется галактической археологией. Мы уже знаем, что наша история была довольно спокойной на протяжении последних 9–10 миллиардов лет, однако на заре времён было как минимум одно, а скорее несколько крупных событий слияния галактик, которые до сих пор оставляют след в движении звёзд в гало.

Наконец, Gaia позволяет обнаруживать чрезвычайно разреженные звёздные системы – галактики-спутники низкой поверхностной яркости, или потоки звёзд от приливного разрушения какого-нибудь звёздного скопления. Представьте себе, что вы смотрите на участок неба, на котором интересующие вас звёзды составляют менее одного процента, а остальные 99% – это звёзды переднего плана, принадлежащего нашей Галактике. И вот у вас в руках есть волшебное стеклышко, которое позволяет отфильтровать только те звёзды, которые находятся на определённом расстоянии, или просто достаточно далеко, и движутся в определённом направлении – и внезапно уровень примеси звёзд нашей Галактики в этой выборке падает на два-три порядка, и вот уже прекрасно виден интересующий вас спутник. К примеру, таким образом была открыта крайне разреженная галактика-спутник Antlia 2. Это своего рода детективная работа, или поиск улик в стоге сена.

Таковы лишь некоторые области применения данных Gaia, и многое ещё впереди – как в хорошем фильме, сюжет раскрывается постепенно, и в ближайшие годы нас ждут новые открытия.

Евгений Васильев
Декабрь 2019