Місія Європейського космічного агентства (European Space Agency, ESA) Gaia («Ґайя») відкриває золоту жилу знань як про нашу галактику, так і те, що міститься за її межами. «Зоряний геодезист» перевершив свій запланований потенціал і серед інших знахідок виявив півмільйона нових і слабких зір у величезному скупченні, ідентифікував понад 380 можливих гравітаційних лінз і точно визначив положення понад 150 000 астероїдів у Сонячній системі.
За спостережними даними від «Ґайя» науковці будують мапу нашої галактики та її околиць з надзвичайними багатовимірними подробицями, створюючи найточніший перепис зір за всю історію. Місія дає змогу намалювати детальну картину нашого місця у Всесвіті, що дозволяє нам краще зрозуміти різноманітні об’єкти в ньому.
Останній «цільовий випуск даних» (focused product release) місії спрямований на досягнення цієї мети. Він надає багато нових і покращених уявлень про космічний простір навколо нас. Нові дані дали змогу здобути захопливі та несподівані наукові результати: знахідки, які виходять далеко за рамки того, для чого було розроблено космічний зонд «Ґайя».
Отже, що нового здобули науковці завдяки «Ґайя»?
Півмільйона нових зір в центрі скупчення за допомогою розширеного режиму спостережень
Третій випуск даних «Ґайя» (third data release, DR3) містить дані про понад 1,8 мільярда зір і дає змогу створити досить повне уявлення про Молочний Шлях та його околиці. Однак у нашому картографуванні залишилися прогалини. «Ґайя» досі ще не повністю дослідила ділянки неба, які особливо густо заповнені зорями. На тлі яскравих сусідів поза увагою залишилися менш яскраві зорі в таких ділянках.
Найвиразніший приклад цього — кулясті зоряні скупчення. Ці скупчення є одними з найдавніших об’єктів у Всесвіті, що робить їх особливо цінними для науковців, які вивчають наше космічне минуле. На жаль, яскраві ядра таких скупчень, переповнені зорями, можуть «засвітити» телескопи, коли астрономи намагаються отримати чітке зображення. Таким чином, слабкі зорі з центральної ділянки кулястих скупчень понині відсутні на наших мапах Всесвіту.
Щоб заповнити ці прогалини, «Ґайя» обрала Омегу Кентавра, найбільше кулясте зоряне скупчення, яке можна побачити з Землі, що є гарним прикладом «типового» скупчення. Замість того, щоб спостерігати тільки окремі зорі, як зазвичай, «Ґайя» увімкнула спеціальний режим, що дав змогу отримувати зображення ширшої ділянки неба навколо центра скупчення щоразу, коли воно потрапляло в поле зору.
Завдяки цьому науковцям вдалося виявити 526 587 нових зір в цьому скупченні. Такі зорі лежать занадто близько одна до одної, щоб їх можна було виміряти в звичайному режимі спостережень космічного телескопа. Вони в15 разів тьмяніші, ніж зорі, які астрономи бачили раніше. Нові дані показують — в Омега Кентавра зір удесятеро більше. Ці знання дозволять дослідникам вивчити структуру скупчення, зокрема розподіл зір та їхні рухи тощо й створити повну великомасштабну мапу Омеги Кентавра.
«Ґайя» показала «багатолюдне» ядро (центр) масивного зоряного скупчення. Інфографіка розміщена на фоновому зображенні площини Молочного Шляху. Омега Кентавра видно на небі маленькою яскравою цяткою в центрі кадру. На вставному колі показано у збільшеному вигляді центральну ділянку скупчення, яку її бачить «Ґайя». Статистичні дані, пов’язані з новими даними від «Ґайя», розміщені праворуч. Фото з сайту www.esa.int.
«В Омега Кентавра ми виявили понад півмільйона нових зір, яких Gaia раніше не бачила — із простого скупчення!» — сказала головний автор дослідження Катя Вайнґрілл (Katja Weingrill) з Інституту астрофізики Лейбніца в Потсдамі (Leibniz-Institute for Astrophysics Potsdam, AIP), Німеччина, учасник колаборації Gaia.
«Це не просто латання дірок у нашому картографуванні, хоча це само собою цінно», — додав співавтор дослідження й учасник Gaia Collaboration Олексій Мінц (Alexey Mints), також з AIP. «Наші дані дозволили виявити зорі, розташовані надто близько одна до одної, щоб їх можна було належним чином виміряти в звичайному режимі спостережень Gaia. За допомогою нових даних ми можемо вивчити структуру скупчення: як розподілені зорі, як вони рухаються та багато іншого. Це дасть змогу створити повну великомасштабну мапу Омега Кентавра. Для цього ми використовуємо потенціал Gaia на повну — ми задіяли цей дивовижний космічний інструмент на його максимальній потужності».
Вдесятеро більше зір: порівняння двох зображень Омега Кентавра. Верхнє зображення взято з 3-го випуску даних Gaia за 2022 рік. Порожній центр — це місце із слабкими зорями, які «Ґайя» раніше не реєструвала. Нижнє зображення — із теперішнього випуску даних. Воно показує, скільки нових джерел виявлено в центрі скупчення. Їх так багато, що ядро суцільно яскраве і не розділяється на окремі зорі. На обох зображеннях показано лише слабкі зорі в межах Омега Кентавра. Фото з сайту www.esa.int.
Це відкриття не тільки відповідає запланованому потенціалу «Ґайя», але й навіть перевищує його. Наукова група використала режим спостереження, призначений для забезпечення безперебійної роботи всіх інструментів «Ґайя». «Ми не очікували, що колись використаємо його для науки. Тому результат від цього ще більш захопливий», — додала Катя Вайнґрілл.
Нові зорі, виявлені в Омега Кентавра, належать до одного із «найбагатолюдніших» регіонів, які досліджує «Ґайя». Нині таким методом «Ґайя» досліджує ще вісім ділянок зоряного неба. Результати будуть вміщені в Gaia Data Release 4 (Четвертий випуск даних «Ґайя»). Ці дані допоможуть астрономам зрозуміти, що відбувається в цих космічних об’єктах. Для науковців, які прагнуть підтвердити вік нашої галактики, визначити її центр, з’ясувати, чи зазнавала вона минулих зіткнень, нові дані можуть бути вирішальними. За ними дослідники перевірять, як зорі змінюються протягом свого життя, обмежать моделі еволюції Галактики та, зрештою, зроблять висновок про можливий вік Всесвіту.
Панорама Омега Кентавра від «Ґайя». Відео починається з вигляду кулястого зоряного скупчення Омега Кентавра, яке видно на темному тлі як «колекцію» зір майже круглої форми. Накладений прямокутник позначає ділянку неба, зображення якої побудовано за спостереженнями «Ґайя» з нового випуску даних. Цей прямокутник потім заповнює весь екран — камера переміщується вздовж нового вигляду скупчення. Панорама починається на зовнішніх краях скупчення, де зорі рідші, і поступово рухається до щільнішого та яскравішого центра. Відео з сайту www.esa.int.
У пошуках лінз: «Гайя» — випадковий космолог
Хоча «Ґайя» не була розроблена для космології, її нові спостереження простягаються у далекий Всесвіт, що дає змогу науковцям шукати досі невловимі та захопливі об’єкти, які дають підказки щодо деяких із найбільших питань людства про космос: гравітаційні лінзи.
Гравітаційне лінзування буває тоді, коли зображення віддаленого об’єкта спотворює маса — наприклад, зоря чи галактика — яка міститься між нами та об’єктом. Така маса діє як гігантське збільшувальне скло, або лінза, яка може посилювати яскравість світла та створювати кілька зображень далекого джерела на небі. Ці цікаві та рідкісні конфігурації дивують візуально і мають величезну наукову цінність, відкриваючи унікальні підказки про найдавніші дні та об’єкти Всесвіту.
«Gaia — справжній шукач лінз», — сказала співавтор дослідження Крістін Дюкурант (Christine Ducourant) з Астрофізичної лабораторії Бордо (Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux), Франція, член колаборації «Ґайя». «Завдяки Gaia ми виявили, що деякі об’єкти, які ми бачимо, не зорі, навіть якщо вони на них схожі. Насправді це далекі квазари — надзвичайно яскраві, високоенергетичні ядра галактик, яких живлять надмасивні чорні діри. Ми тепер надійно вказуємо на 381 кандидата в лінзовані квазари, зокрема на 50, яких ми вважаємо дуже ймовірними: це золота жила для космологів і найбільший набір кандидатів, коли-небудь оприлюднений одночасно».
Наукова група визначила кандидатів зі списку з 3 760 032 можливих квазарів (зокрема й з тими, що визначені в Gaia DR3). П’ять із можливих лінз — потенційні хрести Ейнштейна, рідкісні системи лінз із чотирма різними компонентами зображення у формі хреста. (Дивіться 12 таких конфігурацій, відкритих Gaia у 2021 році.)
Новий випуск даних «Ґайя» вказує на сотні кандидатів у лінзовані квазари. Цю інфографіку складають три основні частини: візуального опису явища гравітаційного лінзування (угорі ліворуч), шести зображень лінзованих систем, ідентифікованих у Gaia DR3 (угорі праворуч), зображення яких отримано за допомогою спектроскопічного приладу темної енергії (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI) і PanSTARRS, і деяких головних фактів про відкриття «Ґайя» нових лінзованих квазарів (унизу). На зображенні з візуальним описом гравітаційного лінзування показано, як світло поширюється від віддаленого квазара до «Ґайя», огинаючи масу переднього плану (галактику) під час руху, та як це приводить до того, що телескоп бачити кілька зображень квазара на небі. Фото з сайту www.esa.int.
Пошук лінзованих квазарів є складним завданням. Зображення, створені на небі системою лінз, можуть руйнуватися різними способами, і більшість із них лежать дуже далеко, що робить їх слабкими та важко помітними.
«Найцікавіше в Gaia те, що вона спостерігає всюди, тож ми можемо знайти лінзи, не знаючи, де шукати», — додає співавтор Лоран Ґаллуччо (Laurent Galluccio) з Університету Лазурного берега, Франція, учасник колаборації Gaia. Цей випуск даних свідчить: «Ґайя» є першою місією, яка виконала огляд усього неба з високою роздільною здатністю для пошуку гравітаційних лінз».
Розширення значення «Ґайя» для космології забезпечує синергію з місією ESA Euclid («Евклід»), яку розпочато нещодавно для дослідження темного Всесвіту. Хоча обидва космічні апарати спрямовані на вивчення різних частинах космосу — «Евклід» на картографуванні мільярдів галактик, «Ґайя» — на картографуванні мільярдів зір — дані про лінзовані квазари, виявлені «Ґайя», можуть бути використані для подальших досліджень «Евкліда».
Астероїди, зібране зоряне світло та пульсуючі зорі
Інші наукові статті, опубліковані за даними нового випуску, пропонують глибше розуміння простору навколо нас і різноманітних, а часом і таємничих об’єктів у ньому.
Одна робота розкриває більше інформації про 156 823 астероїдів, ідентифікованих в Gaia DR3. Новий набір даних визначає положення цих твердих тіл на майже вдвічі більшому відтинку часу, ніж попередній. Унаслідок цього більшість їхніх орбіт — на основі лише спостережень «Ґайя» — у двадцятеро точніші. В майбутньому випуску даних «Ґайя» DR4 це набір буде доповнено і він міститиме інформацію про комети та супутники планет. Кількість астероїдів подвоїться, що покращить наші знання про малі тіла в найближчому космосі.
У двадцятеро точніше: «Ґайя» відображає орбіти понад 150 000 астероїдів. На цьому зображенні різними кольорами (щоб розрізняти астероїди) показано багато петлястих орбіт, що перекриваються, навколо Сонця. Центральна частина зображення, яка показує область міжпланетного простору в межах орбіти Юпітера (блакитне коло), дуже щільно упакована орбітами, тоді як зовнішні краї є чіткішими. Крізь них фоном видно площину Молочного Шляху. Широкі сині та жовті кола в кадрі показують орбіти планет. Фото з сайту www.esa.int.
В іншій статті подано мапу диска Молочного Шляху, що показує положення слабких сигналів, які можна побачити на тлі світла зір, що є ледве помітними відбитки газу та пилу, які плавають між зорями. Наукова група «Ґайя» отримала шість мільйонів спектрів, щоб вивчити ці сигнали. Це неймовірно великий набір даних про слабкі об’єкти, які ніколи раніше не вимірювали в такій великій вибірці.
Сподіваємось, набір даних дасть змогу науковцям нарешті звузити джерело цих сигналів. Наукова група припускає, що ним можуть бути складні органічні молекули. Більше інформації про те, звідки надходить цей сигнал, допомагає астрономам вивчати складні та взаємопов’язані фізичні й хімічні процеси, що відбуваються в нашій галактиці, і краще зрозуміти речовину, що міститься між зорями.
І останнє, але не менш важливе, у статті наведено змінні характеристики 10 000 пульсуючих і подвійних зір червоних гігантів з найбільшої доступної нині бази даних. Дані про ці зорі є частиною каталогу з двох мільйонів змінних зір-кандидатів, опублікованого в Gaia DR3, і є визначальними для обчислення космічних відстаней, підтвердження характеристик зір і пояснення того, як еволюціонують зорі. Новий випуск дає змогу краще зрозуміти, як ці чарівні зорі змінюються з часом.
«Ґайя» характеризує динаміку 10 000 змінних зір. На цьому зображенні показано площину Молочного Шляху, яка пролягає горизонтально вздовж кадру, з багатьма різнокольоровими цятками, кожна з яких позначає зорю. Кожна з них позначена кольором відповідно до типу її змінності, яку реєструє «Ґайя». Червоні цятки — це довгоперіодичні змінні (long-period variables, LPV), змінність яких зумовлена пульсацією зірки. Зелені цятки показують так звані зорі «довгого вторинного періоду» (long secondary period, LSP), причина мінливості яких досі обговорюється, але астрономи вважають, що вона пов’язана з хмарою пилу, яка обертається навколо зорі. Сині цятки — це еліпсоїдні змінні: червоні гіганти, які є частиною подвійної системи з щільним компактним об’єктом, форма яких спотворена до яйцеподібної через сильну гравітаційну дію компаньйона. Кожне джерело приблизно періодично змінює світність і має різну швидкість зміни блиску, який вимірює «Ґайя». Це означає, що зоряна поверхня або циклічно наближається або віддаляється від нас, коли зоря пульсує, або що сама зоря наближається/віддаляється, рухаючись по своїй орбіті. Що темніший тон і більший розмір кожної цятки, то сильнішою є зміна пульсації зорі протягом її циклу. Фото з сайту www.esa.int.
«Цей випуск даних додатково демонструє широку та фундаментальну цінність Gaia — навіть щодо тем, які спочатку не були розроблені», — зазначив Тімо Прусті (Timo Prusti), науковий співробітник місії «Ґайя» в ESA.
«Незважаючи на те, що Gaia зосереджена на дослідженні зір, вона досліджує все: від кам’янистих тіл Сонячної системи до лінзованих зображень квазарів, що лежать на відстані мільярдів світлових років від нас, далеко за межами Молочного Шляху. Ця місія забезпечує справді унікальне розуміння Всесвіту та об’єктів у ньому, і ми справді максимально використовуємо її широку, всесвітню перспективу на небо навколо нас».
Подальші кроки
Попередній випуск даних «Ґайя», Gaia DR3, оприлюднено 13 червня 2022 року. Це було найдетальніше досі дослідження Молочного Шляху і скарбниця даних про дивні «зоретруси», зорі, що асиметрично рухаються, «ДНК» зір тощо. Gaia DR3 містить нові та покращені відомості про майже два мільярди зір Молочного Шляху, а також найбільші каталоги подвійних зір, тисячі об’єктів Сонячної системи та — більш віддалені й ті, що лежать за межами нашої галактики, — мільйони галактик і квазарів.
Новий набір даних місії, Gaia DR4, очікуємо не раніше кінця 2025 року. Він базуватиметься як на Gaia DR3, так і на цьому цільовому набору даних для подальшого покращення нашого розуміння багатовимірного Молочного Шляху. Це покращить наші знання про кольори, положення і рух зір та системи змінних і кратних зір. Завдяки новому набору даних астрономи зможуть ідентифікувати та характеризувати квазари і галактики, укласти перелік екзопланет-кандидатів та виконати більше інших досліджень.
Будьте в курсі графіків випуску даних «Ґайя» тут.
За інф. з сайту www.esa.int підготував Іван Крячко
