Újabb adatáradat a Gaia jóvoltából – újabb korszakhatár a Tejút kutatásában!

4151

A jelenleg zajló csillagászati űrprojektek közül a mérési adatok számát illetően a legmonumentálisabb az Európai Űrügynökség asztrometriai célú Gaia űrtávcsövének tevékenysége. A 2013 végén indított Gaia több mint másfél milliárd csillagról végez nagy pontosságú pozíciómérést, ezek alapján pedig a csillagok helyén túl a térbeli mozgásuk is megállapítható. A hatalmas minta elemzésének fő célja az, hogy pusztán a csillagok eloszlása és mozgása alapján felderítsék a Tejútrendszer múltját és jövőjét.

December 3-ától egy újabb hatalmas adattömeg válik hozzáférhetővé, a Gaia működésének első három évében gyűjtött méréseinek feldolgozása alapján, ezzel újabb lökést adva az asztrometriai adatok asztrofizikai célú felhasználásának.

A Gaia programjáról röviden

A csillagászok egyik legnehezebb feladata az általuk vizsgált égitestek és kozmikus jelenségek távolságának megállapítása. Bár napjainkra már száznál is több különféle módszert dolgoztak ki az égen található objektumok távolságának meghatározására, azok mindegyike valamilyen közelítést vagy bizonyítékkal alá nem támasztott feltevést is tartalmaz, emiatt viszont a kapott eredmény csupán közelítő érték.

Egyetlen olyan távolságmeghatározási módszer létezik csak, amelyik biztos alapokon nyugszik, és a használatával kapott eredmény helyessége kétségbevonhatatlan: a trigonometriai parallaxis mérésén alapuló módszer. Csakhogy a csillagászatban irdatlanul nagy távolságok vannak, és minél messzebb van valami, annál kisebb a parallaktikus eredetű elmozdulása. A Naphoz legközelebbi csillag, a Proxima Centauri mindössze 4,244 fényév távolságban van, parallaxisa – vagyis az a szög, amely alatt onnan nézve a Föld és a Nap közötti átlagos távolság (a csillagászati egység) merőleges rálátás alatt látszik – mindössze 0,7685 ívmásodperc. A Tejútrendszer kiterjedése viszont a százezer fényévet is meghaladja, azon túl pedig ott van az akár millió-milliárd fényévekre levő galaxisok világa.

A Föld felszínén levő távcsövekkel vizsgálva a pozíciómérés pontosságát az állandóan nyugtalan légkör is korlátozza. Földi távcsövekkel emiatt a parallaxismérés hatóköre legfeljebb 100 fényévig terjed, ami csupán a Naprendszer szűkebb környezete. Ezt a bűvös határt csak úgy lehet áttörni, ha a pozícióméréseket nem a földfelszínen, hanem az űrbe telepített távcsővel végzik, a földi légkör összes kedvezőtlen hatásától megszabadulva.

Az első asztrometriai célú űrtávcső az Európai Űrügynökség (ESA) Hipparcos szondája 1989–1993 között végezte méréseit. Az ezek eredményeit tartalmazó – akkor hatalmasnak számító – adatbázisban 118 ezer csillag égi helye szerepel 0,001 ívmásodperc pontossággal. A nagyon precíz mérésekből azt is megállapították, hogy a programcsillagok hogyan mozognak az égen (vagyis az egyedi csillagok sajátmozgását), továbbá a sajátmozgásra rakódó parallaktikus elmozdulásból a vizsgált csillagok parallaxisát is (ugyancsak ezred ívmásodperc pontossággal), amiből könnyen megkapható a távolságuk.

Majdnem negyedszázaddal a Hipparcos után következett a Gaia, az ESA második asztrometriai űrszondája. Ennyi idő kellett ahhoz, hogy az időközben kifejlesztett újabb műszaki megoldásokkal és mérési módszerekkel csaknem milliomod ívmásodpercig sikerüljön fokozni a szögmérés pontosságát. A Gaia azonban nemcsak a pontosság tekintetében múlja felül a Hipparcos teljesítményét, ugyanis négy nagyságrenddel több csillag szerepel a mérési programján, mint amennyit a Hipparcos vizsgált, így amíg működik, minden 20,7 magnitúdónál fényesebb égi forrás helyéről és fényességéről gyűjt információt, beleértve a naprendszerbeli több százezer kisbolygót és milliónyi extragalaxist is. Továbbá abban is túltesz a Hipparcoson, hogy a sajátmozgáson kívül méri a térbeli mozgás harmadik komponensét is, ez utóbbit a színképvonalak hullámhosszának Doppler-eltolódásából lehet meghatározni. Igaz, hogy kiértékelhető spektrumot csak a legfényesebb 150 millió programcsillagról képes készíteni, de így is ez lesz az eddigi legnagyobb adatbázis a csillagok látóirányú sebességéről.

A 2013 decemberében felbocsátott Gaia 2014 nyarán kezdte meg eredetileg ötévesre tervezett mérési programját. A kezdettől fogva sikeres projekt támogatását az ESA előbb 2020 végéig hosszabbította meg, és mivel a Gaia jelenleg is kifogástalanul működik, az űrügynökség néhány hete már 2022 végéig tartó anyagi támogatásáról biztosította a Gaia mérési programjának további végrehajtását. Nem kell külön hangsúlyozni, hogy minél hosszabb a mérési időszak, annál pontosabbakká válnak a végeredményként meghatározható asztrometriai adatok, vagyis az égi pozíció, a távolság és a térbeli mozgás mindhárom komponense.

A hosszabbítás velejárójaként viszont a Gaia végső katalógusának összeállítása is későbbre halasztódik. A pontos asztrometriai adatokra pedig minden csillagász ki van éhezve.

Gigantikus cseppenként adagolt adatok

A Gaia-adatok nyilvánosságra hozatalával kapcsolatban a projekt illetékesei két lényeges szempontra ügyelnek mindvégig:

  • Az adatközlésekkel nem szabad a projekt befejezéséig várni, hiszen már a részeredmények is rendkívül hasznosak, mert azok alapján is lényeges eredményekre lehet számítani, egyúttal jelzik a küldetés sikerét is;
  • Ugyanakkor csakis olyan adatokat szabad nyilvánosságra hozni, amelyek megbízhatóságához nem fér kétség.

Ezek figyelembevételével a Gaia esetében azt a közlési politikát követik, hogy nagyjából kétévente teszik elérhetővé az addig feldolgozott adatokat. Maga a feldolgozás még a szuperszámítógépek korában is elképesztően időigényes (a memóriaigényt nem is említve), hiszen minden egyes égi objektum összes mért pozícióadatát össze kell vetni az összes többi (vagyis egymilliárdot meghaladó számú) objektum valamennyi mérési adatával.

A Gaia első adatkibocsátása (Gaia DR1) 2016. szeptember 14-én következett be. Bár addigra már két évnél hosszabb mérési adatsor állt rendelkezésre, az akkor nyilvánosságra hozott adatokat a mérési program első 14 hónapjában végzett észlelései alapján határozták meg. Bár a parallaktikus elmozdulás és a sajátmozgás megbízható elkülönítéséhez legalább három évet átfogó megfigyelési sorozat szükséges, az egy évet alig meghaladó időszak méréseiből – felhasználva a Hipparcos végső eredményeit is – már pontosabb parallaxisokat lehetett kapni, mint a két évtizeddel korábban megjelent Hipparcos-katalógusban szereplő értékek. A Gaia DR1 adattartalmáról bővebben itt lehet olvasni.

A Nap 1300 fényév sugarú környezetében található 150000 csillag helye a Hertzsprung–Russell-diagramon a Gaia DR1 adatai alapján. G a széles sávban mért Gaia-magnitúdó, Ks a 2MASS égfelmérés 2,159 mikrométeres sávjában mért fényesség. (Forrás: ESA)

A Gaia DR2 az asztrometriai űrtávcső első 22 havi méréseinek feldolgozott állományát tartalmazza, és 2018. április 25-e óta érhető el a Gaia archívumában. A minden korábbit meghaladó mennyiségű adat között mintegy 1,69 milliárd csillag ezred ívmásodpercnél pontosabb koordinátái mellett megtalálható a mintában szereplő 1,33 milliárd csillag sajátmozgásának és parallaxisának értéke is. Az asztrometriai mennyiségeken túlmenően asztrofizikai információk is elérhetők a DR2-ben, és azokat is kizárólag a Gaia méréseiből állapították meg: 161,5 millió csillag effektiv hőmérséklete, 77 millió csillag átmérője és luminozitása, 7,2 millió csillag átlagos látóirányú sebessége és több mint 550 ezer időben változó fényességűnek észlelt csillag fotometriai adatai. A Földtől független vonatkoztatási rendszer definiálása érdekében pedig félmilliónál több távoli – emiatt a térben hosszú időn át állandó helyzetűnek észlelhető – extragalaktikus objektum adatai is szerepelnek a Gaia DR2-ben.

A Gaia második adatközlésében szereplő adatokat a nyilvánosságra hozataluk óta eltelt két és fél évben közel 3600 szakcikkben használták. Olyan nagy szakmai visszhangot kiváltott eredmények köthetők a Gaia DR2-höz, mint például annak megállapítása, hogy a gömbhalmazok szín-fényesség diagramja hogyan függ a bennük levő csillag nehézelem-gyakoriságától, de az is szenzációszámba megy, hogy már a Tejútrendszerhez közeli törpegalaxisok térbeli mozgását is sikerült közvetlenül kimérni, illetve a tőlünk 160 ezer fényévre levő Nagy-Magellán-felhő rotációját is detektálni lehetett az e galaxishoz tartozó csillagok sajátmozgásának feltérképezése alapján.

Tejútrendszerbeli gömbhalmazok egyesített Hertzsprung–Russell-diagramján szembetűnő a luminozitás (a függőleges tengely mentén) és a színindex (a vízszintes tengely mentén) függése a csillagok nehézelem-gyakoriságától. A jobb oldali színskálán felfelé nő a nehéz elemek (a csillagászati szakzsargonban fémek) gyakorisága. (Forrás: Gaia Collaboration, Babusiaux et al., 2018)

Mivel a Gaia DR2-ben elérhető parallaxisértékek még csupán részeredményeknek tekintendők, az egyedi csillagokra vonatkozó adatokat kellő óvatossággal szabad használni. A fontosabb új eredmények mindegyike nagyszámú csillag adatainak statisztikus elemzéséből született. Így például rengeteg korábban ismeretlen csillaghalmazt sikerült azonosítani hozzánk közel vagy akár tőlünk távol. A térben összetartozó rendszerek mellett az azonos típusú csillagok nagy mintájának statisztikus vizsgálata is lényeges eredményekre vezethet. Ilyen vizsgálat keretében Bódi Attila és Kiss László (Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont) a tejútrendszerbeli RV Tauri típusú változócsillagok Gaia DR2-ben szereplő adatait elemezve meghatározta az ilyen pulzáló csillagok periódusa és luminozitása között érvényes kapcsolatot és a periódusuk és sugaruk között fennálló összefüggést is, ezek alapján pedig ezen idős változócsillagok átlagos tömegét.

Jelentős előrelépésnek számít a több százezernyi extragalaktikus objektum Gaia általi észlelése is. Ezek közül 2820 kiterjedés nélkülinek látszó kvazár pontosan meghatározott helyzete és egyelőre kimutathatatlanul csekély sajátmozgása alapján definiálták a csillagászok által a közeljövőben használandó vonatkoztatási rendszert.

A csillagászatban használandó legújabb vonatkoztatási rendszer rögzítéséhez használt 2820 kvazár eloszlása az égen. (Forrás: Gaia Collaboration, Mignard et al. 2018)

A nem szakemberek számára a Tejútrendszer „oldalnézeti” képe mutatja igazán jól a Gaia DR2 adatmennyiségének monumentalitását. A felfedezések közül pedig a közvélemény számára az a legérdekesebb, hogy a Tejútrendszer hozzávetőleg tízmilliárd évvel ezelőtt egy egész galaxist olvasztott magába. Az egykori galaxis csillagainak mozgása jól elkülöníthető a Tejútrendszerben keletkezett csillagokétól. A beszippantott galaxis magjának maradványa az NGC 2808 gömbhalmaz lehet.

A Tejútrendszer „oldalnézeti” térképe a Gaia DR2 adatai alapján. A fősíktól jobbra lefelé kísérőgalaxisaink, a két Magellán-felhő látszik. (Forrás: ESA/Gaia/DPAC)

Mi minden zúdul ránk most?

A Gaia harmadik adatkibocsátását eredetileg korábbra tervezték, ám a koronavírus-világjárvány az adatfeldolgozást is jócskán késleltette. Abban azonban nincs változás, hogy az újabb adatok nyilvánosságra hozatala két részletben történik: most a korai (early) DR3 adatai válnak szabadon hozzáférhetővé, ennek az adattömegnek a hivatalos jelölése Gaia EDR3. A folytatásra (Gaia DR3) még több mint egy évet kell várni. Elégedetlenségre azonban nemigen lehet ok, a Gaia-archívumba most 1 811 709 771 (aki nem hiszi, akár ellenőrizheti is) égi forrás adatai kerülnek. Bár a Gaia már közel hat és fél éve végzi méréseit, a mostani adatközlés csak a mérések első 34 hónapjában (azaz nem egészen három év alatt) gyűjtött adatok feldolgozásának eredményeit tartalmazza.

Az 1,8 milliárd égi forrás közül kb. 300 milliónak csak a pontos koordinátái szerepelnek a Gaia EDR3-ban, az összes többire, azaz másfél milliárd forrásra a koordinátákon kívül a sajátmozgás mindkét koordinátairány menti komponense és a szögmérések alapján meghatározott parallaxis értéke is. Ez utóbbiból pedig megkapható a kozmikus forrás távolsága.

A Gaia EDR3 adatbázisában elérhető parallaxisok átlagosan 20%-kal pontosabbak a DR2-ben közreadott értékeknél, a sajátmozgásadatok pedig tipikusan kétszer pontosabbak, mint a DR2-ben közölt megfelelő adatok. A mérésekkel lefedett időszak növelésének előnyei jól érzékelhetők.

A Gaia EDR3-ban elérhető adatok nyilvánvalóan újabb lökést adnak a szuperpontos asztrometriai mérések felhasználásához a csillagászat szinte minden területén. A Gaia népszerűsége eddig is évről évre nőtt, és biztosra vehető, hogy ez a tendencia tovább folytatódik.

Ez a hisztogram azon szakcikkek számának növekedését mutatja éves bontásban, amelyek kivonatában a szerzők a Gaia szondára hivatkoznak, vagyis a cikk legalább részben a Gaia mérésein alapul. A 2020-ra vonatkozó oszlop magasságát a decemberi cikkek még emelik.

Büszkék lehetünk arra, hogy a Gaia sikertörténetének – a Gaia Adatfeldolgozó és -Elemző Konzorciumának munkájában közreműködve – a Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet jó néhány kutatója is részese.

Hozzászólás

hozzászólás