Objavili 3D zvezdno karto z milijardo zvezd

V misiji Gaia sodelujejo tudi Slovenci. Satelit z meritvijo smeri in oddaljenosti zvezde umešča v tridimenzionalni prostor.

sre, 14.09.2016, 19:08

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 danes vemo več. Prva javna objava rezultatov satelita Gaia Evropske vesoljske agencije prinaša daleč najnatančnejšo zvezdno karto doslej.

Objavlja razdalje do več kot dveh 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. Gibanju njenih zvezd bomo lahko sledili nazaj vse do njenega nastanka in se tako naučili, kakšna sta sestava in nastanek naše galaksije kot ene od običajnih galaksij v vesolju.

Zvezde so zelo daleč. Če bi 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 čim večji 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 galaksije. Tako oddaljene zvezde bi v merilu mandarin in pomaranč rastle na bližnjih planetih.

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


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. Hipparcosu je tako uspelo 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 Sonca. Gaia meri smeri proti zvezdam s točnostjo stotisočinke ločne sekunde, to je stokrat natančneje od njenega predhodnika Hipparcosa. Tako velike natančnosti si ni lahko predstavljati. Kot primer si zamislimo, da bi z Zemlje opazovali umetni satelit, ki je 400 kilometrov nad nami. Z Gajino točnostjo določanja smeri bi položaj tega satelita lahko določili na dve stotinki milimetra natančno.

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 deset 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 čez Atlantik, pomenijo tudi, da ni mogoče enostavno slikati neba in opazovati, kako se bližnja zvezda premika glede na nepremikajoče se zvezde v ozadju. Pri tej točnosti nepremikajočih se 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 gibanja nekaj več kot milijarde zvezd v Galaksiji. To ni preprosta naloga, v konzorciju za obdelavo podatkov podpisani sodelujemo s približno petsto kolegi iz vse Evrope.

Satelit Gaia. Foto: ESA/Gaia

Tako natančne meritve postavljajo tehnološke mejnike. Meritev kotov na stotisočinko ločne sekunde (v radianih je to na enajst decimalnih mest) pomeni, da mora biti celotna konstrukcija instrumentov iz silicijevega karbida, materiala prihodnosti, ki je izredno lahek, trden in temperaturno neraztegljiv. Prvič smo se ga naučili oblikovati v gradnike in sestavljati pri izdelavi evropskih satelitov Gaia in Herschel, kar je velik korak na poti proti njegovi zemeljski uporabi. Pri točnosti Gaie moramo kljub izjemni temperaturni neraztegljivosti tega materiala zagotoviti, da je temperatura satelita čim bolj stalna. Kot ilustracijo naj navedemo, da ima zato vsak od 106 detektorjev svetlobe CCD v goriščni ravnini teleskopov še majhen grelec, ki bi se v primeru okvare takoj vključil in nadomestil toploto, ki jo detektor sprošča med običajnim delovanjem.

Gaia z meritvijo smeri in oddaljenosti zvezde umešča v tridimenzionalni 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.

Seveda niti Gaia ne zmore vsega. Podrobna določitev kemične sestave zvezd ali iskanje primerov zvezd, ki so 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 je tako edinstvena dopolnitev trenutnih rezultatov misije Gaia, medtem ko bosta pregleda Gaia-ESO in Galah zelo 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 v misiji Gaia aktivni od leta 2000

Slovenci smo v misiji Gaia dejavni 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.

Danijela Birko, Bojan Dintinjana, Dunja Fabjan, Angela Kochoska, Drejc Kopač, Janez Kos, Gregor Traven, Tomaž Zwitter, Maruša Žerjal Fakulteta za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani

Povezane novice

Gaja bo (pre)štela zvezde
18. december ob 09:00
V petih letih bo ta zmogljivi vesoljski teleskop opazoval več milijard zvezd in drugih vesoljskih objektov.
Prijavi sovražni govor