A Gaia nagy napja

1701

Nagy várakozás előzi meg a Gaia – az Európai Űrügynökség (ESA) asztrometriai űrszondájának – ma esedékes második adatközlését (DR2, Data Release 2). Elképesztő mennyiségű adat „hullik a csillagászok ölébe” összesen kb. másfél milliárd csillagról. Nem megalapozatlan vélekedés szerint a Tejútrendszer megismerésének új korszaka kezdődik ma.

Asztrometria egykor és ma

Az asztrometria, vagyis az égbolton látszó fényforrások helyének és mozgásának megállapítása a csillagászat legősibb ága. Valójában a 19. század közepéig másból sem állt a csillagászat, mint pozíciómérésből. Amikor később a csillagászat modern ágai – asztrofizika, kozmológia, planetológia – is kialakultak, az asztrometria nemhogy vesztett a fontosságából, hanem egyenesen felértékelődött a szerepe. Nem véletlenül nevezték régebben fundamentális csillagászatnak, az asztrometria valóban a csillagászat alapja. Amikor a Tejútrendszer hozzávetőleg 200 milliárd csillaga között el akarunk igazodni, olyan pontosan kell ismerni az egyes csillagok helyét az égen, hogy a földi távcsöves mérési módszerek nem is szolgáltatnak megfelelően pontos eredményt. Az asztrometria is az űrcsillagászat részévé lépett elő.

Az asztrometria története képekben – az ókortól napjainkig (Forrás: ESA)

Ráadásul az asztrometria feladata nemcsak a látszó égi hely és a mozgások kimérése, hanem az egyes égitestek távolságának megállapítása is. Amíg valamely égitest – legyen az akár csillag, akár bolygó, akár extragalaxis – távolságát nem tudjuk, a mérete és néhány fizikai tulajdonsága (pl. a tömege) szintén ismeretlen marad. Bár a csillagászok rengeteg olyan távolságmeghatározási módszert találtak ki az utóbbi évszázadban, amelyek asztrofizikai vagy kozmológiai alapon nyugszanak, mindegyik esetben valamilyen közelítő feltevéssel kell élni. Egyetlen távolságmérési módszer van, amelyik előfeltevésektől mentes: a földmérésnél is használt háromszögelés kiterjesztése a kozmikus távolságokra. Ez pedig távcsővel végzett szögmérést jelent, a lehető legnagyobb pontossággal.

Ezt az égi háromszögelést a csillagászatban parallaxismérésnek nevezik. A háromszög alapja a Föld Nap körüli keringési pályájának két átellenes pontja: ez a szakasz 300 millió kilométer hosszú. Mivel a Naphoz legközelebbi csillag nagyjából 4 fényévre van, a fél év alatt észlelhető parallaktikus elmozdulás értéke kisebb egy ívmásodpercnél. A földi távcsövekkel végzett asztrometriai méréseknél nemcsak a parallaxis szögének kicsiny volta okoz gondot, hanem az a tény is, hogy a parallaktikus elmozdulást csak a szinte azonos látóirányú „háttércsillagokhoz” viszonyítva lehet megmérni, és mivel ezek a referenciacsillagok sem végtelen távoliak, azoknak is van (ismeretlen) parallaxisuk.

A csillagászati parallaxismérés elve (Michael Perryman nyomán)

Megoldást az űrben végzett asztrometriai mérések jelentenek. Ebben az esetben a mérendő csillag helyzetét egészen más irányú csillag pozíciójához viszonyítva mérik, amelynek a parallaktikus elmozdulása egészen más jellegű.

Űrtávcsővel globális asztrometria is végezhető, mert légkör hiányában nem lép fel torzító hatás. (Lennart Lindegren nyomán)

A Hipparcos és a Gaia

Az űrasztrometriában Európáé a vezető szerep. Eddig két asztrometriai űrszonda volt a csillagászat történetében, mindkettő az ESA küldetése. A Hipparcos 1989 és 1993 között végezte a méréseit, a 2013 decemberében indított Gaia pedig 2014 júliusa óta folyamatosan mér, még legalább egy évig, de remélhetőleg a küldetését meghosszabbítják. A néhány évig tartó mérési időszak azért szükséges, hogy sikerüljön szétválasztani a csillagok sajátmozgását a periodikusan ismétlődő parallaktikus ingadozástól.

A Hipparcos megmutatta az űrasztrometriában rejlő lehetőségeket. A szonda mérési programján 118 000 csillag szerepelt. Főleg a 11 magnitúdónál fényesebbek közül válogatták ki a programcsillagokat, és az elfogadott tudományos programok között már volt magyar kezdeményezésű kutatás is (a cefeidák között nagy számban előforduló kettőscsillagok hatása a periódus-fényesség összefüggésre). A Hipparcos mérései alapján hozzávetőleg 0,001 ívmásodperc pontossággal sikerült meghatározni a kiválasztott 118 000 csillag koordinátáit és 0,001 ívmásodperc/év pontossággal a csillagok sajátmozgását a két koordinátairány (rektaszcenzió és deklináció) mentén. A Hipparcos katalógusában szereplő ötödik asztrometriai paraméter a parallaxis. Ennek pontossága természetesen a csillag távolságától is függ.

Bár a Hipparcos eredményeként megsokszorozódott a trigonometrikus parallaxis mérésével meghatározott csillagok száma, az eredménnyel a csillagászok korántsem voltak megelégedve. Már az ezredforduló előtt megkezdődött a lobbizás egy újabb, a Hipparcos teljesítményét minden tekintetben sokszorta felülmúló asztrometriai űrszonda megvalósításáért. Ez sikerrel járt, és az ESA 2013 decemberében felbocsátott Gaia űrszondája 2014 júliusa óta végez méréseket, de nem a Föld körül keringve, hanem a Földet a Nappal összekötő egyenes mentén, bolygónktól 1,5 millió km távolságban levő ún. librációs pont körüli halópályán mozogva.

Mennyivel többre képes a Gaia az elődjénél? Az eredeti tervek szerint a mérési programján minden 20 magnitúdónál fényesebb égi fényforrás szerepel. A tényleges működés közben azonban kiderült, hogy a detektor 20,7 magnitúdós fényességig képes az égitestek megbízható észlelésére. Így a tervezett egymilliárd helyett másfél milliárd objektum szerepel a Gaia mérési programján. Ez nagyjából a Tejútrendszer csillagainak egy százalékát jelenti, kisebb részben pedig extragalaxisokban levő csillagokat, illetve naprendszerbeli égitesteket is (csak kisbolygóból nagyjából 300 000-et észlel a Gaia) a 20,7 magnitúdós határfényességig. Különösen fontos a Tejútrendszer két közeli kísérőgalaxisában, a Magellán-felhőkben levő csillagok alapos asztrometriai vizsgálata.

Az M33 galaxis, ahogyan a Gaia „látja” (Forrás: ESA/Gaia/DPAC/IEEC-UB)

A Gaia abban is túltesz elődjén, hogy a csillagok térbeli mozgásának harmadik komponensének meghatározását is lehetővé teszi. Az asztrometriai úton mérhető sajátmozgásból kiderül az adott objektum mozgása az éggömb érintősíkjában. Az erre merőleges – látóirányú – komponens viszont csak spektroszkópiai úton határozható meg, a színképvonalak Doppler-eltolódásából. A Hipparcosnál ilyenre még nem volt lehetőség, a Gaia viszont a nagyon halvány égitestek kivételével színképet is felvesz az asztrometriai mérések közben.

Végül, de nem utolsósorban a Gaia mérési pontossága nagyságrendekkel felülmúlja a negyed századdal korábban működött Hipparcosét. Addig a határfényességig, ameddig a Hipparcos is észlelt, az asztrometriai pontosság javulása ezerszeres – tehát milliomod ívmásodperces –, a halványabb égitestek helyzetét és mozgását pedig tízezred-százezred ívmásodperc pontossággal méri meg a Gaia.

Az öt évre tervezett működés során valamennyi égitest átlagosan 70-80 alkalommal kerül a Gaia látómezejébe, amikor is az időpont és pozíció mellett a fényesség értékét is rögzíti a szonda fedélzeti számítógépe, az így keletkező fotometriai idősorok pedig értékes információt jelentenek a változócsillagokkal foglalkozó kutatók számára.

A korábban (2016 szeptemberében) közzétett Gaia-adatok már jól mutatták a misszió sikerét. Az egy évnél valamivel hosszabb időszakban végzett mérésekből meghatározott parallaxisok hibája már akkor kisebb volt, mint a Hipparcos végeredményeként kapott értékeké. A saját galaxisunkról akkor közzétett „térkép” is magáért beszél.

A Tejútrendszer első térképe a Gaia mérései alapján (Forrás: ESA/Gaia/DPAC, A. Moitinho és M. Barros, Lisszaboni Egyetem)

A most nyilvánosságra kerülő adatokról

2018. április 25-én a Gaia működésének első 22 hónapjában végzett méréseinek feldolgozása után a következő adatok válnak nyilvánossá:

  • 1 692 919 135 csillag helye és fényessége,
  • 1 383 551 713 csillag fényessége a vörös tartományban, 1 381 964 755 csillagé pedig a kék tartományban,
  • 1 331 909 727 csillagra a sajátmozgása és a parallaxis értéke is,
  • 161 497 595 csillag felszíni hőmérséklete,
  • 76 956 778 csillag átmérője és luminozitása (fényteljesítménye),
  • 8 7733 672 csillagra a látóirányú csillagközi fényelnyelés mértéke,
  • 7 224 631 csillag látóirányú sebessége.

Ezek valóban csillagászati számok! A csillagászatban mindeddig nem létezett ennyi információt tartalmazó adatbázis. De mit is jelentenek ezek a számok a csillagászatban kevésbé jártasak számára?

Annak az 1,3 milliárd csillagnak alapján, amelyeknek a most nyilvánosságra hozott adatcsomagban a koordinátáin kívül a sajátmozgása és a parallaxisa is ismertté vált, már elkészíthető a Tejútrendszer minden korábbinál pontosabb háromdimenziós térképe. A térbeli mozgás harmadik komponensét csak 7,2 millió csillag (a legfényesebbek) esetében tudjuk most meg a látóirányú sebességből, így a tejútrendszerbeli mozgások, vagyis a galaxisunkban bekövetkező dinamikai változások egyelőre csak korlátozottan követhetők nyomon.

A csillagok hőmérsékletének és luminozitásának ismerete pedig az asztrofizikai következtetések levonásához elengedhetetlen. A részletes ismertetés helyett itt csak utalunk az asztrofizika alapvető állapotábrájára, a Hertzsprung–Russell-diagramra, amelyen egy csillag helye sok mindent elárul a csillag fejlődési állapotáról, koráról stb. A diagram vízszintes tengelyén a csillag felszíni (effektív) hőmérséklete vagy annak megfelelő más mennyiség (színképtípus, színindex) van feltüntetve, a függőleges tengely mentén pedig a luminozitás vagy az azzal egyenértékű abszolút fényesség. A mindmáig nem nyilvános, de most ismertté vált adatok alapján készített diagramot természetesen még nem tudjuk bemutatni, de a 2016. szeptemberben közzétett adatok alapján készített ábra így néz ki.

A Gaia mérései alapján korábban nyilvánosságra hozott eredmények szerint így néz ki a Hertzsprung–Russell-diagram a Nap 1300 fényév sugarú környezetében levő 150000 csillagra. (Forrás: ESA/Gaia/DPAC L. Ruiz-Dern, C. Babusiaux, F. Arenou, C. Turon, R. Lallement [GEPI, Observatoire de Paris])

A rengeteg csillag közül 550 737 csillag fényessége változónak bizonyult. Ez egyidejűleg sok és kevés. Annak alapján megítélve sok, hogy eddig jóval kevesebb (legfeljebb kétszázezerre becsülhető) csillagról tudtuk, hogy nem állandó a fényessége. Ha pedig abból indulunk ki, hogy a Hipparcos mérési programján szereplő csillagok közül majdnem minden tizedik esetében időben változónak bizonyult a fényessége, akkor a várakozás szerint a százmilliót is meghaladhatja a Tejútrendszerben felfedezésre váró változócsillagok száma. Ehhez viszonyítva a most nyilvánosságra kerülő félmillió változócsillag kevésnek tűnik. A változócsillagok közül a cefeida és RR Lyrae típusú pulzáló csillagok adatainak elemzésében ugyancsak részt vesz az MTA CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézete több kutatója a Gaia DPAC tagjaként.

A most nyilvánosságra hozott adatbázis részeként megtudhatjuk továbbá 14 099 naprendszerbeli kisbolygó helyzetét valamennyi megfigyelés időpontjával együtt. Ezek alapján pedig pontosítani lehet a kisbolygók pályáját.

A tudományos célú mérések kezdete óta eltelt 45 hónapban a Gaia fedélzetén elhelyezett műszerek 52 terabájt adatmennyiséget észleltek, és eddig csak ennek egy részét dolgozták fel a DPAC keretei között működő központokban dolgozó szakemberek.

A következő adatkibocsátásra ismét nagyjából két évet kell várni. Akkor már a kettőscsillagokkal kapcsolatos fontos adatok is elérhetővé válnak. De a most elérhető adatok is igazi kincsesbányát jelentenek a világ csillagászai számára. A kutatók ötletességén múlik, hogy mi mindenre tudják használni a Gaia-archívumban tárolt adatokat.

A Gaia adatbázisa 2018. április 25-én déltől itt érhető el: https://gea.esac.esa.int/archive/

Hozzászólás

hozzászólás