Космический телескоп Gaia зафиксировал данные о почти двух миллиардах звезд. В результате был создан наиболее обширный каталог и наиболее детальная трехмерная карта Млечного Пути, когда-либо полученные в ходе наблюдений. Naked Science объяснит, почему это значимо и увлекательно.
Опубликовано недавно: около 1,8 миллиарда звезд, миллионы галактик и десятки тысяч астероидов третьего релиза данных телескопа Gaia. По этим данным команда проекта составила трехмерную карту, охватывающую значительную часть Галактики. Это крупнейший каталог звезд и лучшая 3D-карта Млечного Пути на сегодняшний день. Кроме этого, для сотен миллионов светил определены возраст, температура, масса и другие параметры. Пока трудно даже предположить, к какому валу открытий может привести столь богатый наблюдательный материал.
Рулетка для звезд
Naked Science уже подробно рассказывал, определение расстояний до небесных тел имеет огромное значение для астрономов. Чтобы понять, почему, давайте вспомним основные моменты. Только зная расстояние до объекта, возможно рассчитать количество излучения, которое он производит. В противном случае можно, попросту говоря, спутать удаленную звезду с расположенной поблизости лампочкой.
Наиболее точный способ определения расстояний до объектов во Вселенной — метод параллакса. Суть его заключается в следующем: выйдите на дорогу и выберите удалённый объект, находящийся в стороне от неё, например, высотное здание. Определите, в каком направлении от вас находится этот объект. Затем пройдите по дороге на километр или два (расстояние, на которое вы прошли, называется базисом). Направление на высотку изменится на определенный угол, половина которого называется параллаксом. Имея данные о базисе и параллаксе, можно вычислить расстояние до многоэтажного здания. Это элементарная задача по геометрии, связанная с треугольниками.
Этот подход не предполагает выдвижения каких-либо предположений о небесных объектах. Он основан только на фундаментальных принципах геометрии, что и делает его ценным в глазах исследователей.
Если расстояние до объекта значительно, то для заметного изменения направления на него потребуется преодолеть весьма внушительный путь. От высотного здания на горизонте можно легко отъехать, но попытайтесь приблизиться к Луне в небе! Как все дети с удивлением отмечают, Луна и Солнце, кажется, «преследуют» нас. Это объясняется тем, что расстояние до Луны (380 тысяч километров) и, особенно, до Солнца (150 миллионов километров) намного больше, чем расстояние, которое мы обычно преодолеваем на поверхности Земли. Что говорить о звездах, находящихся на расстоянии многих световых лет?
Диаметр Земли является её наибольшим размером. По космическим меркам это расстояние, составляющее менее 13 тысяч километров, кажется незначительным. Из-за этого невозможно наблюдать параллакс звёзд, перемещаясь по поверхности Земли.
К счастью, наша планета также постоянно меняется. Давайте обратим наш взгляд на звезду. Мы повторим это наблюдение через полгода, когда Земля окажется в противоположной точке своей орбиты. Это позволит нам получить значение, равное диаметру орбиты: 300 миллионов километров!
Достаточно ли этого для определения расстояния до звезд методом параллакса? Ответ зависит от того, о каких именно звездах идет речь. Главное здесь – точность, с которой телескопы способны фиксировать угловое смещение объекта. Например, если мы можем надежно измерять параллаксы с точностью до 10 угловых микросекунд, то сможем вычислить расстояния до звезд в пределах 100 парсек (примерно 300 световых лет).
Наземные измерения ограничены расстоянием в несколько сотен световых лет. Более высокая точность затруднена из-за атмосферы, которая является постоянным препятствием для астрономов. При этом диаметр Галактики составляет сто тысяч световых лет. Таким образом, мы способны создать трехмерную карту лишь небольшой части этого огромного объекта.
Космические телескопы способны определять положение звезд с гораздо большей точностью, особенно если они спроектированы для этой цели. Человечество впервые применило подобный метод в 1989 году, запустив в космос телескоп Hipparcos. Погрешность измерений этого аппарата составляла порядка двух угловых микросекунд. В 2013 году на смену ему пришел новый космический картограф — Gaia. Он превосходит своего предшественника по точности в двести раз. Благодаря этому Gaia может измерять расстояния до объектов, расположенных в десятки тысяч световых лет, что сопоставимо с размерами Млечного Пути. Однако на больших дистанциях Gaia, естественно, обнаруживает только самые яркие звезды, а не все находящиеся там.
Небо в алмазах
Итак, что же опубликовала команда «Гайи»?
В новом каталоге содержится 1,8 миллиарда звезд, что является беспрецедентным показателем. Для каждого светила указана видимая яркость и двумерные координаты, позволяющие определить его положение на небесной сфере minimum minimorum информации о небесном теле, которую имеет смысл вносить в каталог.
Для около 1,5 миллиарда звезд удалось установить цвет и, что особенно важно, расстояние до Земли. Таким образом, эти небесные тела отображены на трехмерной карте. Это значительное количество, хотя и составляет лишь около одного процента от общего числа звезд в Галактике. Тем не менее, это колоссальный прогресс по сравнению с 100 тысячами звезд, для которых параллакс был измерен благодаря Hipparcos.
Возникает вопрос, возможно ли ознакомиться с этой замечательной картой? Ответ неоднозначен. Все данные, включая трехмерные координаты звезд, доступны в открытый доступ. И, конечно, эти данные существуют в виде неинтересных машиночитаемых файлов. Маловероятно, что кто-то позаботился о визуализации их в виде изображения, тем более в трехмерном формате. Вы всерьез полагаете, что 1,5 миллиарда точек поместятся на экране вашего устройства в читаемом разрешении?
Полезно изучить перемещение 26 миллионов звезд, основываясь на данных из этого каталога. Это также предоставляет прекрасную возможность обсудить вопросы движения.
Куда летят звезды
Собственное движение определено для 1,5 миллиарда звезд, включая расстояния до них. Что же это за параметр?
Звезды в Галактике находятся в постоянном движении. Каждая из них перемещается в каком-либо направлении (по крайней мере, участвует в общем вращении вокруг центра Млечного Пути). И Солнце также движется. В результате этого светила постепенно меняют свое положение на небесной сфере, если смотреть с Земли (или с «Гайи»). Это движение сохраняется даже после учета параллакса, прецессии земной оси и других факторов, которые создают сдвиг звезд для наблюдателя. Оно-то и называется собственным движением звезды.
Собственное движение представляет собой перемещение объекта по двумерной небесной сфере. Для определения траектории звезды в трехмерном пространстве требуется дополнительный параметр лучевая скорость — это величина, характеризующая изменение расстояния между объектом и наблюдателем. Рассчитать лучевую скорость невозможно, определяя углы; для этого необходим спектр звезды и эффект Доплера. При этом требуется спектр с высоким разрешением. Поэтому «Гайя» смогла вычислить лучевые скорости для «всего» 33 миллиона звезд. Для этих светил на трехмерную карту нанесены не только их координаты, но и их перемещение сквозь Галактику.
Несмотря на это, даже данные с низким качеством оказываются весьма полезными. Они позволяют установить массу, температуру, возраст и другие параметры. Анализ был проведен для 470 миллионов звезд.
Что еще мы узнали благодаря «Гайе»
Помимо этого, опубликованные данные содержат информацию о десяти миллионах переменных звезд. Также определены массы и орбиты компонентов для более чем 800 тысяч двойных звездных систем.
А еще телескоп помог обнаружить тысячи звездотрясений, хотя и не был для этого предназначен. Сотрясения звезд довольно редко удается наблюдать, а между тем они несут важную информацию об их внутреннем устройстве. Удивительно, но сейсмичность была обнаружена и на тех светилах, которые, по нынешним теориям, совершенно не должны быть к ней склонны. Это лишний раз доказывает, что о звездах мы все еще знаем меньше, чем хотелось бы.
Объективы «Гайи» (а их два) зафиксировали почти пять миллионов галактик и около 160 тысяч астероидов. Это стало дополнительным результатом работы для картографов Галактики, но специалисты из других астрономических областей будут благодарны за эти данные.
Стоит подчеркнуть, что текущий набор данных «Гайи» является уже третьим. Первый выпуск (data release 1 или DR1) был обнародован в 2016 году, а второй — в 2018-м. В новом каталоге DR3 содержится на 100 миллионов звезд больше, чем во втором релизе. Благодаря увеличению числа наблюдений, точность определения параллаксов также возросла вдвое.
Первоначальная версия DR3 была выпущена в конце 2020 года. Она включала двумерные координаты, параллаксы и собственные движения, однако не содержала спектроскопических данных.
К настоящему моменту возможности «Гайи» в картографировании Млечного Пути не исчерпаны. Ее достижения в измерении расстояний обусловлены высокой точностью определения углов, а не длиной базисной линии. «Гайя» находится всего на 1% дальше от Солнца, чем Земля. Причина, по которой ее не разместили на более удаленной орбите, заключается в том, что этот аппарат передает на Землю значительно больший объем данных, чем межпланетные зонды. Передача информации с большего расстояния была бы гораздо сложнее. Кроме того, «Гайя» определила параллакс практически для всех наблюдаемых ею звезд (1,5 миллиарда из 1,8). Таким образом, возможности проекта ограничены не длиной базиса, а чувствительностью телескопа. Поэтому отправка космической обсерватории в район между Землей и Марсом не имела бы большого смысла: затраты превысили бы выгоды. Однако технологии постоянно совершенствуются, и в ближайшем будущем мы, вероятно, увидим как более чувствительные телескопы, так и более эффективные системы связи. В таком случае космические картографы следующего поколения, скорее всего, будут выведены на орбиты с большим радиусом. И, следовательно, они предоставят нам еще более детальные карты Галактики.