Gaia Paukščių Tako galaktikoje (dailininko kūrinys)
„Gaia“, Europos kosmoso agentūros kosminė observatorija. Iškelta 2013 12 19 Soyuz ST-B/Fregat-MT raketa iš Kourou kosmodromo Prancūzijos Gvianoje į Lissajous orbitą aplink Saulės ir Žemės Lagrangeʼo tašką L2, esantį maždaug 1,5 mln. km nuo Žemės. Gaia observatorija turėtų veikti iki 2025, o jos pagrindinė užduotis – atlikti dangaus šviesulių astrometriją, t. y. išmatuoti tikslią žvaigždžių padėtį, koordinates, atstumus ir judėjimą precedento neturinčiu tikslumu. Šios misijos tikslas – sukurti didžiausią ir tiksliausią trimatį kosmoso katalogą, kuriame būtų apie 1 mlrd. astronominių objektų; jų didžiąją dalį sudarys žvaigždės, t. p. planetos, kometos, asteroidai, kvazarai. Gaia yra Europos kosmoso agentūros ilgalaikės mokslinės programos Horizon 2000+ dalis ir HIPPARCOS kosminio teleskopo, veikusio 1989–93, įpėdinė. Projektą 1993 10 pasiūlė Lennartas Lindegrenas (Lundo observatorija, Švedija) ir Michaelas Perrymanas (Europos kosmoso agentūra). 2000 10 13 Europos kosmoso agentūros Mokslo programos komitetas jį patvirtino kaip šeštą pagal svarbą. 2006 02 09 Europos aeronautikos gynybos ir kosmoso bendrovės (angl. European Aeronautic Defence and Space Company, EADS) dukterinė aviacijos ir kosmoso gamybos įmonė Astrium tapo atsakinga už observatorijos techninės įrangos parengimą.
Pavadinimas Gaia buvo pasiūlytas kaip angliško pavadinimo Global Astrometric Interferometer for Astrophysics (liet. Visuotinės astrometrijos interferometras astrofizikai) trumpinys. Toks pavadinimas buvo pasirinktas, nes pradžioje planuota erdvėlaivyje sumontuoti interferometrinę optikos įrangą. Erdvėlaivio kūrimo procese pasirinkti tyrimų metodai keitėsi, todėl pirminis pilnas pavadinimas neteko prasmės ir nebevartojamas, bet trumpasis pavadinimas Gaia išlaikytas siekiant užtikrinti projekto tęstinumą.
Įranga
Erdvėlaivio stabilumas Lissajous orbitoje išlaikomas naudojant diazoto tetraoksido (NTO) ir monometilhidrazino (MMH) cheminės sąveikos variklį. Šių medžiagų kiekio turėtų užtekti keletui dešimtmečių. L2 taškas suteikia erdvėlaiviui labai stabilią gravitacinę ir šiluminę aplinką. Lissajous orbita neleidžia Žemei užstoti Saulės šviesos, tokiu būdu užtikrinama nuolatinė elektros energijos gamyba erdvėlaivio saulės baterijose. Skirtingai nuo kitų erdvėlaivių, Gaia neturi reakcijos ratų ar giroskopų. Jos teleskopo regėjimo kryptis valdoma naudojant šaltų azoto dujų reaktyvinius variklius, kurie per 1 s gali išmesti 1,5 µg azoto. Vienintelės judančios Gaia erdvėlaivio dalys yra veidrodžius rikiuojančios pavaros ir azoto dujų variklius paleidžiantys vožtuvai (judančios dalys dėl mikrovibracijos labai pablogintų vaizdų kokybę). Erdvėlaivio įranga sumontuota ant tvirto silicio karbido rėmo, kuris dėl labai mažo šiluminio plėtimosi koeficiento užtikrina stabilią struktūrą. Iškėlus Gaia (observatorijos masė 710 kg) buvo išskleistas 10 m skersmens skydas, dengiantis erdvėlaivį nuo Saulės spindulių ir apsaugantis teleskopo komponentus nuo įkaitimo. Ant šio skydo yra sumontuotos ir erdvėlaivio saulės baterijos, kurių galia yra 1910 W.
Gaia mokslinius stebėjimus pradėjo 2014 07 25. Pagal pirminį planą, Gaia turėjo veikti bent iki 2019. Kadangi observatorijos veikimas yra sklandus, o detektorių kokybė blogėja ne taip greitai, kaip tikėtasi iš pradžių, po 2018 šios observatorijos misija buvo kelis kartus pratęsta. Tolimesnis Gaia misijos pratęsimas labiausiai priklauso nuo likusio šaltųjų azoto dujų kiekio. Šias dujas naudoja mikrovarikliai, kad erdvėlaivį būtų galima nukreipti mikrosekundės tikslumu. Gaia observatorija turi du teleskopus, kurie stebi dviem skirtingomis kryptimis. Tarpusavyje šie veidrodžiai sudaro fiksuotą 106,5° kampą. Kiekvieno teleskopo pagrindinis veidrodis yra stačiakampio formos ir 1,45 m × 0,5 m dydžio. Židinio plokštumoje yra 1,0 m × 0,5 m dydžio CCD (angl. charge coupled device) matrica, į kurią projektuojama abiejų teleskopų šviesa. Matrica sudaryta iš 106 CCD elementų, kiekviename iš jų yra 4500 × 1966 pikselių.
Gaia erdvėlaivis nuolat sukasi aplink savo ašį, kuri yra statmena abiejų Gaia teleskopų regėjimo spinduliams. Sukimosi ašis savo ruožtu turi nedidelę precesiją danguje, kad išlaikytų pastovų kampą su Saule. Išmatavus to paties objekto padėtį abiem Gaia teleskopais, gaunama labai tiksli atskaitos sistema. Gaia observatorijos taikiniai yra mažesnio nei 20 ryškio – tokie objektai sudaro maždaug 1 % Paukščių Tako galaktikos populiacijos. Gaia atlieka šių objektų plačiajuostę spektrofotometriją elektromagnetinių bangų srityje, apimančioje artimus ultravioletinius, regimuosius ir artimus infraraudonuosius spindulius. Be to, tikimasi, kad naudodama astrometrijos metodą Gaia aptiks iki dešimčių tūkstančių Jupiterio dydžio egzoplanetų, 500 000 ne Paukščių Tako galaktikai priklausančių kvazarų ir dešimtis tūkstančių žinomų bei naujų Saulės sistemai priklausančių asteroidų ir kometų. Siekiant ištirti tikslią objektų padėtį ir judėjimą per pirmus penkerius metus Gaia kiekvieną objektą stebėjo maždaug po 70 kartų. Gaia sukonfigūruota atlikti standartinę procedūrą automatiniu būdu apdorojant stebėjimus žvaigždžių, kurių ryškis yra tarp 3 ir 20. Dar šviesesnių žvaigždžių (mažesnio kaip 3 ryškio) stebėjimams apdoroti buvo sukurta speciali procedūra, kai tokių žvaigždžių stebėjimų duomenys iš erdvėlaivio atsisiunčiami neapdoroti, o po to redukuojami ir analizuojami atskirai. Tikimasi, kad tokiu būdu kelių dešimčių kampinių mikrosekundžių tikslumu bus išmatuotos padėtys visų žvaigždžių, kurių ryškis yra mažesnis kaip 20.
Gaia schema: a – terminė mokslinės įrangos palapinė; b – mokslinės įrangos modulis: optinė sistema, teleskopai, prietaisai ir židinio plokštumos mazgas, c – aptarnavimo modulis: jame t. p. yra tam tikros mokslinei įrangai reikalingos elektronikos, pvz., laikrodžio blokas, vaizdų apdorojimo blokai ir mokslinių duomenų tvarkymo blokas, d – kuro sistemos: skystojo kuro NTO/MMH ir šaltojo azoto talpyklos ir varikliai, e – antena, f – išskleidžiama apsauga nuo Saulės spindulių ir saulės baterijos, kurios yra apatinėje apsaugos pusėje
Gaia observatorija turi tris pagrindinius instrumentus. Astro – prietaisas žvaigždžių astrometrijai, juo nustatomos tikslios šviesesnių nei 20 ryškio žvaigždžių padėtys matuojant jų kampines koordinates. Apibendrinant visus bet kurios žvaigždės matavimus galima nustatyti jos paralaksą (t. p. atstumą ir žvaigždės judėjimo greitį). BP/RP (angl. Blue Photomter/Red Photometer) – prietaisas skirtas šviesesnių nei 20 ryškio žvaigždžių fotometrijai. Šiuo prietaisu matuojamas žvaigždžių ryškis elektromagnetinių bangų ilgių srityje nuo 320 nm iki 1000 nanometrų. Šį prietaisą sudaro mėlynasis fotometras (BP) ir raudonasis fotometras (RP). Mėlynasis fotometras (BP) stebi 330–680 nm bangų ilgių srityje, o raudonasis (RP) apima 640–1050 nm bangų ilgių sritį. Abu fotometrai naudojami nustatant tam tikrus žvaigždžių fizikinius parametrus – temperatūrą, masę, amžių ir cheminę sudėtį. Kiekvienas iš šių fotometrų turi mažos skiriamosios gebos lydyto silicio dioksido prizmes, kurios išsklaido visą į regėjimo lauką patenkančią šviesą į mažos rezoliucijos nedidelius spektrus. Šitaip užtikrinama daugiaspalvė žvaigždžių fotometrija, įvertinamas energijos pasiskirstymas žvaigždžių spektruose. RVS (ang. Radial Velocity Spectrometer) – radialinių greičių spektrometras, naudojamas matuojant dangaus objektų greičius išilgai regėjimo spindulio. Radialiniai greičiai nustatomi šviesesnėms nei 17 ryškio žvaigždėms stebint jų jonizuoto kalcio linijas 847–874 nm bangų ilgių srityje ir matuojant sugerties linijų Dopplerio poslinkį didelės raiškos spektre.
Tikslai
Gaia misijos tikslas – sukurti tikslų trimatį astronominių Paukščių Tako galaktikos objektų žvaigždėlapį ir nustatyti jų judėjimo parametrus, kurie susiję su Galaktikos kilme, struktūra ir evoliucijos istorija. Spektrofotometriniai matavimai suteiks galimybę nustatyti tikslius visų stebimų žvaigždžių fizikinius parametrus, tokius kaip šviesis, efektinė temperatūra, laisvojo kritimo pagreitis, cheminė sudėtis ir kita. Tikimasi išmatuoti 1 mlrd. žvaigždžių pãdėtis, paralaksus ir metinius savuosius judėjimus; t. p. išmatuoti žvaigždžių pãdėtis: 7 μas tikslumu šviesesnių nei 7-o ryškio žvaigždžių; nuo 12 iki 25 μas tikslumu apie 15-o ryškio žvaigždžių; ir nuo 100 iki 300 μas tikslumu apie 20-o ryškio žvaigždžių. Tikslumas priklauso ne tik nuo žvaigždės ryškio, bet ir nuo jos spalvos.
Maždaug 20 mln. žvaigždžių atstumai bus išmatuoti 1 % arba dar didesniu tikslumu, 200 mln. žvaigždžių atstumai bus išmatuoti didesniu nei 10 % tikslumu. 10 % tikslumas bus atstumo tų objektų, kurie yra netoli Galaktikos centro, 30 000 šviesmečių atstumu nuo Saulės. 40 mln. žvaigždžių tangentinis greitis bus išmatuotas didesniu nei 0,5 km/s tikslumu. Bus t. p. nustatyti visų stebimų žvaigždžių atmosferiniai parametrai, efektinė temperatūra, tarpžvaigždinė ekstinkcija, laisvojo kritimo pagreitis paviršiuje, metalingumas. Kai kurių cheminių elementų kiekiai bus nustatyti stebimose šviesesnėse nei 15 ryškio žvaigždėse. Bus tiksliai išmatuoti tūkstančio egzoplanetų masės ir orbitų parametrai naudojant astrometrinius planetų paieškos būdus. Remiantis A. Einsteino bendrąja reliatyvumo teorija t. p. ieškoma gravitacinių lęšių, stebima erdvėlaikio struktūra. Gaia ieško Atira asteroidų, kurie sudaro mažiausią NEO asteroidų grupę. Šie asteroidai skrieja tik vidinėje Žemės orbitos pusėje, todėl jų antžeminiais teleskopais stebėti neįmanoma. Be to, tikimasi aptikti iki 500 000 kvazarų.
Stebėjimai ir atradimai
Gaia stebėjimų analizės rezultatai paskelbti keliuose Gaia kataloguose ir yra viešai prieinami. Kiekviename naujesniame kataloge pateikiama informacija apie daugiau žvaigždžių, ypač silpnų, esančių tankiuose dangaus laukuose; ši informacija yra tikslesnė ir įvairiapusiškesnė.
dangaus žemėlapiai, sudaryti pagal Gaia stebėjimų duomenis ir paskelbti kartu su DR3 katalogu: a – radialinių greičių pasiskirstymas, b – 3D žvaigždžių judėjimo žemėlapis, įskaitant radialinius greičius ir savuosius judėjimus, c – tarpžvaigždinės medžiagos pasiskirstymas, d – cheminės sudėties pasiskirstymas
Pirmieji Gaia rezultatai, gauti per 14 mėn. trukusius pirmuosius stebėjimus, buvo paskelbti 2016 09 14 DR1 (angl. Data Release 1) kataloge. DR1 kataloge pateikti 1,1 mlrd. žvaigždžių ryškiai ir koordinatės yra gauti tik iš Gaia stebėjimų. Dar skelbiami 2 mln. žvaigždžių ryškiai, paralaksai ir savojo judėjimo greičiai, gauti pagal Gaia stebėjimus ir Tycho-2 katalogo duomenis. DR1 kataloge 3000 kintamų žvaigždžių pateikiami ne tik fizikiniai parametrai, bet ir jų šviesos kreivės. 2000 užgalaktinių objektų, paskelbtų šiame kataloge, pateikiamos koordinatės ir ryškiai, kurie buvo naudojami kaip atskaitos vertės stebint kitus objektus. Antrasis Gaia duomenų katalogas DR2 buvo išleistas 2018 04 25. Jame paskelbti 22 mėn. stebėjimų, atliktų nuo 2014 07 25 iki 2016 05 23, rezultatai. DR2 kataloge pateikiamos koordinatės, paralaksai ir savieji judėjimai apie 1,3 mlrd. žvaigždžių ir papildomai 300 mln. žvaigždžių, kurių ryškiai yra tarp 3 ir 20. DR2 kataloge nurodyti 1,1 mlrd. žvaigždžių dviejų spektro sričių (raudonos ir mėlynos) fotometriniai duomenys, dar 400 mln. žvaigždžių – vienos spektro srities fotometriniai duomenys, 7 mln. žvaigždžių, kurių ryškiai yra tarp 4 ir 13, – vidutiniai radialiniai greičiai.
DR2 kataloge t. p. pateikiami duomenys apie daugiau kaip 14 000 pasirinktų Saulės sistemos objektų, tačiau žvaigždžių identifikavimo numeriai DR1 ir DR2 kataloguose nesutapo, buvo pastebėta ir daugiau sisteminių netikslumų. Todėl 2019 buvo išleistas pagalbinis leidinys Viskas, ką norėtumėte žinoti prieš pradėdami naudotis Gaia DR2 katalogu (angl. Everything you wish you had known before you started working with Gaia Data Release), kuris turėjo padėti vartotojui išvengti DR2 kataloge pasitaikančių sisteminių netikslumų. Trečias Gaia duomenų katalogas DR3, kuris buvo sudarytas pagal 34 mėn. stebėjimus, dėl kai kurių rezultatų neapibrėžtumo buvo paskelbtas dviem dalimis. Pirmiausia 2020 12 03 buvo paskelbti duomenys, kurie buvo paruošti anksčiau. Pirmojoje dalyje, pavadintoje EDR3 (angl. Early Data Release 3), buvo paskelbtos patikslintos žvaigždžių koordinatės, paralaksai ir savųjų judėjimų vertės. Į EDR3 įtrauktas ir Gaia artimų žvaigždžių katalogas (angl. Gaia Catalogue of Nearby Stars, GCNS), kuriame yra 331 312 žvaigždžių, esančių iki 100 parsekų (330 šviesmečių) atstumu nuo Saulės. 2022 06 13 buvo paskelbtas Gaia DR3 katalogas, kuris apėmė EDR3 duomenis, t. p. duomenis apie Saulės sistemos kūnus, informaciją apie žvaigždžių kintamumą, daugianarių žvaigždžių, kvazarų ir difuzinių objektų analizės rezultatus. DR3 kataloge skelbiami astrofizikiniai parametrai bei specialūs duomenų rinkiniai. Į DR3 buvo įtraukta ir Andromedos fotometrinė Gaia apžvalga (angl. Gaia Andromeda Photometric Survey, GAPS), joje pateikiamos 1 mln. šviesos šaltinių fotometrinės šviesos kreivės iš dangaus lauko, kurio spindulys yra 5,5o, o Andromedos galaktika yra jo centre.
2023 planuojama išleisti Gaia FPR (ang. Focused Product Release) katalogą, kuriame bus atnaujinta Saulės sistemos objektų astrometrija, kamuolinio spiečiaus Omega Cen astrometrija ir fotometrija, pirmieji kvazarų aplinkos analizės rezultatai, gauti siekiant aptikti gravitacinius lęšius, LPV (ilgo periodo kintamų) žvaigždžių išplėstiniai radialinių greičių duomenys, pagrindinės sekos nepasiekusių objektų akrecijos parametrai, su RVS stebėtos difuzinės tarpžvaigždinės spektrinės juostos. Gaia DR4 katalogas, kuris apims 66 mėn. stebėjimų duomenis, bus paskelbtas ne anksčiau kaip 2025 pabaigoje. Kataloge bus paskelbti visi astrometriniai, fotometriniai ir radialinių greičių duomenys, visos kintamos žvaigždės ir nevienanariai objektai, objektų klasifikacija, masė, astrofizikiniai parametrai, nustatyti pagal BP/RP, RVS ir žvaigždžių, neatskirtų dvinarių žvaigždžių, galaktikų ir kvazarų (šiame kataloge gali būti pateikti ne visi kai kurių ypač silpnų objektų parametrai) astrometriniai parametrai, egzoplanetų sąrašas ir informacija apie tranzitus. Planuojama, kad daugumos DR4 kataloge skelbiamų parametrų tikslumas bus 1,7 karto didesnis nei DR2 kataloge, o savojo judėjimo parametrai bus net 4,5 karto tikslesni.
Jei Gaia observatorija sėkmingai veiks iki 2025, planuojama išleisti DR5 katalogą, kuriame bus paskelbti visų Gaia stebėjimų metų rezultatai.
3203