Gaia (Гайя, Гея, мать-Земля в греческой мифологии) – это телескоп для космической миссии ЕКА, являющаяся частью долгосрочной научной программы Horizon 2000 Plus. Целью миссии является составление трехмерного космического каталога более 100 миллионов звезд, или примерно 1% звезд в нашей галактике Млечном Пути.
Gaia предназначен для отслеживания каждой из своих целевых звезд около 70 раз в течение 5 лет. Он будет точно отображать их положение, расстояния, движения и изменения яркости. Ожидается, что он откроет сотни тысяч новых объектов, таких как экзопланеты, коричневых карликов и сотни тысяч астероидов в пределах нашей Солнечной системы. Миссия также изучит около 500 000 удаленных квазаров и проведет новые испытания Общей теории относительности Альберта Эйнштейна.
Каталогизация ночного неба является неотъемлемой частью астрономии. Прежде чем астрономы смогут исследовать небесный объект, они должны знать, где его найти. Без этого знания астрономы беспомощно блуждали бы в том, что Галилей однажды назвал “темным лабиринтом”.
Сравнивая серию точных наблюдений телескопа, астрономы вскоре смогут проводить точные измерения видимого движения звезды по небу. Это позволит им определять ее расстояние и движение в пространстве. Полученная база данных позволит ученым проследить историю Млечного Пути.
В ходе составления карты неба ожидается, что высокоточные приборы Gaia обнаружат огромное количество ранее неизвестных космических объектов, а также изучат известные звезды. От его взора не уйдут астероиды в нашей Солнечной системе, ледяные тела во внешней Солнечной системе, неудавшиеся звезды, молодые звезды, далекие звездные взрывы, черные дыры и гигантские черные дыры в центрах других галактик.
Основные цели миссии Gaia
• Измерьте положение и скорость примерно одного миллиарда звезд в нашей галактике.
• Определение их яркости, температуры, состав и движение в пространстве.
• Создание трехмерной карты галактики Млечный Путь.
Возможные открытия
– сотни тысяч астероидов и комет в пределах нашей Солнечной системы
– семь тысяч планет за пределами нашей Солнечной системы
– десятки тысяч “несостоявшихся” звезд, называемых коричневыми карликами
– пару десятков тысяч взрывающихся звезд, называемых сверхновыми
– сотни тысяч удаленных активных галактик, называемых квазарами.
Цель Gaia состоит в том, чтобы предоставить очень точную динамическую 3D-карту нашей галактики с использованием глобальной астрометрии из космоса, дополненной многоцветными фотометрическими измерениями разных эпох. Цель состоит в том, чтобы составить полный каталог звездных величин до 20, что соответствует более чем миллиарду звезд или примерно 1% звезд нашей галактики.
Чувствительность прибора такова, что расстояния за пределами 20-100 килопарсек (кпк) будут видны, следовательно, включая выпуклость Млечного Пути (8,5 кпк) и спиральные рукава. Измерения не будут ограничиваться звездами Млечного Пути. К ним относятся структура, динамика и звездное население Магеллановых облаков, космические движения галактик Локальной группы и исследования сверхновых, ядер галактик и квазаров.
Принципы работы телескопа Gaia
По своей сути Gaia – это космический телескоп или, скорее, два космических телескопа, которые работают как один. Эти два телескопа используют десять зеркал различных размеров и форм поверхности для сбора, фокусировки и направления света на приборы Gaia для обнаружения. Основной инструмент – астрометр, который точно определяет положение звезд на небе, в то время как фотометр и спектрометр распределяют их свет по спектрам для анализа.
Телескопы Gaia указывают на две разные части неба, разделенные постоянным углом 106,5°. Каждый из них имеет большое основное зеркало с площадью сбора около 0,7 м2. На Земле мы привыкли к круглым зеркалам телескопа, но зеркала этого телескопа будут прямоугольными, чтобы наиболее эффективно использовать ограниченное пространство внутри космического аппарата.
По современным астрономическим стандартам это небольшие зеркала, но большим преимуществом Gaia является то, что он будет наблюдать из космоса, где нет атмосферных возмущений, размывающих изображения. Меньший телескоп в космосе может дать более точные результаты, чем большой телескоп на Земле.
Gaia имеет всего 3,5 м в поперечнике, поэтому 3 изогнутых и 3 плоских зеркала используются для фокусировки и многократного сгибания светового луча на общей длине 35 м, прежде чем свет попадет на чувствительные детекторы. Вместе телескопы и детекторы Gaia будут достаточно мощными, чтобы обнаруживать звезды в 400 000 раз слабее, чем те, которые видны невооруженным глазом.
Gaia использует концепцию глобальной астрометрии. Принцип состоит в том, чтобы связать звезды с большими угловыми расстояниями в сеть, где каждая звезда соединена с большим количеством других звезд во всех направлениях. Условие закрытия сети обеспечивает уменьшение ошибок определения положения всех звезд. Это достигается одновременным наблюдением за двумя полями зрения, разделенными очень стабильным базовым углом.
Космический аппарат медленно вращается с постоянной угловой скоростью 1° в минуту вокруг оси вращения. Ось вращения космического аппарата составляет угол 45º относительно направления Солнца. Медленная прецессия вокруг направления Солнце-Земля с периодом 63,12 дня позволяет повторить наблюдение космических объектов с 86 транзитами в среднем за 5 лет миссии.
Запуск космического телескопа Gaia
Космический аппарат Gaia был запущен 19 декабря 2013 года (09:12:19 UTC) из Куру с космодрома Арианспейс, Европейского космодрома во Французской Гвиане. Ракета-носителем был российский “Союз-СТБ” с разгонным блоком “Фрегат-МТ”.
– Примерно через 10 минут, после отделения первых трех ступеней, разгонный блок “Фрегат” завелся, выведя Gaia на временную орбиту на высоте 175 км.
– Второй запуск “Фрегата” 11 минут спустя вывел телескоп на орбиту перехода, а затем отделился от разгонного блока через 42 минуты после взлета. Наземная телеметрия и контроль ориентации были установлены контроллерами в ESOC (Европейском центре управления космическими операциями) в Дармштадте, Германия, и космический аппарат начал активацию своих систем.
– Солнечный щит, который поддерживает рабочую температуру Gaia. Солнечные батареи для питания спутника, были развернуты примерно через 88 минут после запуска.
Орбита: Большие орбиты Лиссажу вокруг L2 (точка Лагранжа 2), примерно в 1,5 млн км от Земли. L2 обеспечивает стабильную тепловую среду, поскольку солнцезащитный козырек защитит аппарат одновременно от Солнца, Земли и Луны, позволяя спутнику сохранять прохладу и наслаждаться четким видом на Вселенную. Кроме того, L2 обеспечивает умеренную радиационную среду, что способствует долговечности детекторов приборов.
• примерно через 4 дня Gaia выполняет первые активации – включение передатчика, запуск химических двигателей, первый контроль ориентации и определение положения Солнца и развернет солнцезащитный экран.
• затем последует этап переброски, длящийся до 30 дней, маневр вывода на орбиту L2, затем этап ввода в эксплуатацию на орбите, во время которого выполняются все операции по подготовке к обычному этапу эксплуатации. В частности, научный FPA (узел фокальной плоскости) и связанная с ним авионика будут тщательно протестированы и откалиброваны. Этот этап ввода в эксплуатацию продлится 4 месяца.
• вывод на конечную орбиту Лиссажу размером 300 000 х 200 000 км вокруг L2 был выполнен через месяц после запуска.
Исследования миссии
24 ноября 2021 года: Данные миссии ЕКА Gaia переписывают историю нашей галактики. То, что традиционно считалось галактиками-спутниками Млечного Пути, теперь оказалось в основном новичками в нашей галактической среде.
Карликовая галактика – это совокупность от тысячи до нескольких миллиардов звезд. В течение десятилетий широко распространялось мнение, что карликовые галактики, окружающие Млечный Путь, являются спутниками. Это означает, что они находятся на орбите вокруг нашей галактики и были нашими постоянными спутниками в течение многих миллиардов лет. Теперь движения этих карликовых галактик были вычислены с беспрецедентной точностью благодаря данным, полученным телескопом Gaia и эти результаты удивительны.
Астрономы использовали данные Gaia для расчета движения 40 карликовых галактик вокруг Млечного Пути. Они сделали это, вычислив набор величин, известных как трехмерные скорости для каждой галактики, а затем используя их для расчета орбитальной энергии галактики и углового (вращательного) импульса.
Они обнаружили, что эти галактики движутся гораздо быстрее, чем гигантские звезды и звездные скопления, которые, как известно, вращаются по орбите Млечного Пути. Так быстро, что они не могли бы находиться на орбите вокруг Млечного Пути, где взаимодействие с нашей галактикой и ее содержимым истощило бы их орбитальную энергию и угловой момент.
В прошлом наша галактика уничтожила множество карликовых галактик. Например, 8-10 миллиардов лет назад карликовая галактика под названием Гея-Энцелад была поглощена Млечным Путем. Её звезды можно идентифицировать по данным Gaia из-за эксцентрических орбит и диапазона энергий, которыми они обладают.
Совсем недавно, 4-5 миллиардов лет назад, карликовая галактика Стрелец была захвачена Млечным Путем и в настоящее время находится в процессе разрушения и ассимиляции. Энергия её звезд выше, чем у Геи-Энцелада, что указывает на более короткое время, в течение которого они подвергались влиянию Млечного Пути.
В случае карликовых галактик в новом исследовании, которое представляет большинство карликовых галактик вокруг Млечного Пути, их энергии еще выше. Это убедительно свидетельствует о том, что они появились в наших окрестностях только за последние несколько миллиардов лет.
Открытие, сделанное в отношении Большого Магелланова облака (БМО), более крупной карликовой галактики, расположенной так близко к Млечному Пути, что она видна как пятно света в ночном небе из южного полушария. БМО также считалась галактикой-спутником Млечного Пути до 2000-х годов, когда астрономы измерили ее скорость и обнаружили, что она движется слишком быстро, чтобы быть связанной гравитацией. Теперь мы знаем, что то же самое верно и для большинства карликовых галактик.
Новая звездная перепись
Миссия Gaia также позволила провести новую перепись звезд в окрестностях Солнца. Каталог ближайших звезд содержит 331 312 объектов, что, по оценкам, составляет 92% звезд в пределах 100 парсеков (326 световых лет) от Солнца. Предыдущая перепись окрестностей Солнца, получившая название Каталога ближайших звезд Глизе, была проведена в 1957 году. Первоначально он содержал всего 915 объектов, но в 1991 году был обновлен до 3803 небесных объектов. Он также был ограничен расстоянием в 82 световых года. Нынешняя перепись проходит в 4 раза дальше и содержит в 100 раз больше звезд. Миссия также обеспечивает измерения местоположения, движения и яркости, которые на порядки более точны, чем старые данные.
За пределами Млечного Пути
В работе миссии анализировались Магеллановы облака: две галактики, вращающиеся вокруг Млечного Пути. Измерив движение звезд Большого Магелланова Облака с большей точностью, чем раньше, Gaia ясно показывает, что галактика имеет спиральную структуру. Данные также показывают поток звезд, который вырывается из Малого Магелланова облака, и намекают на ранее невидимые структуры на окраинах обеих галактик.
Использование звезд для обнаружения астероидов
Телескоп отображает галактику, многократно сканируя все небо. В ходе своей запланированной миссии он наблюдал каждую из более чем одного миллиарда звезд около 70 раз, чтобы изучить, как их положение и яркость меняются с течением времени.
Звезды находятся так далеко от Земли, что их перемещения между изображениями очень малы, поэтому телескопу приходится так точно измерять их положение, чтобы разница была едва заметна. Однако иногда Gaia замечает слабые источники света, которые значительно перемещаются от одного изображения определенной области неба к следующему или даже замечаются только на одном изображении, прежде чем исчезнуть.
Проверив положение этих объектов по каталогам известных тел Солнечной системы, многие из этих объектов оказываются известными астероидами. Некоторые, однако, идентифицируются как потенциально новые обнаружения, и затем астрономическое сообщество отслеживает их через сеть Gaia для объектов Солнечной системы. Благодаря этому процессу телескоп успешно открыл новые астероиды.
Потерянные и найденные
Эти прямые наблюдения за астероидами важны для ученых. Однако, высокоточные измерения Gaia положения звезд обеспечивают еще более эффективное преимущество для отслеживания астероидов. Когда мы наблюдаем астероид, мы смотрим на его движение относительно фоновых звезд, чтобы определить его траекторию и предсказать, где он будет в будущем. Это означает, что чем точнее мы знаем положение звезд, тем надежнее мы можем определить орбиту астероида, проходящего перед ними.
| Заказчик | ЕКА |
|---|---|
| Оператор | Европейское космическое агентство |
| Спутник | точки L2 системы Земля-Солнце, около 1,5 млн км от Земли |
| Стартовая площадка | Космодром Куру ELS |
| Ракета-носитель | Союз-STB+Фрегат-МТ |
| Запуск | 19 декабря 2013 года, 9:12:00 UTC |
| NSSDC ID | 2013-074A |
| SCN | 39479 |
| Технические характеристики | |
| Масса | 2029 кг |
| Размеры | 4,6 × 2,3 м |
| Мощность | 1910 Вт |
| Срок активного существования | 5—6 лет |
| Элементы орбиты | |
| Тип орбиты | орбита Лиссажу |
| Период обращения | около 180 суток |
| Перицентр | 370 тыс. км |
| Целевая аппаратура | |
| ASTRO | Астрометрия |
| BP/RP | Фотометрия |
| RVS | Спектрометр |
| Скорость передачи | несколько кб/с загрузки и выгрузки в S-диапазоне, 3—8 Мбит/с загрузки в X-диапазоне |
