19 декабря с космодрома Куру во Французской Гвиане стартовала российская ракета «Союз». На борту ракеты находилась космическая обсерватория «Гайя» (Gaia, Global Astrometric Interferometer for Astrophysics, то есть Глобальный астрометрический астрофизический интерферометр). Находясь во второй точке Лагранжа, аппарат будет собирать данные о Млечном пути, темной материи и экзопланетах. Стоимость миссии составляет около миллиарда долларов, а из-за колоссального размера ПЗС-матрицы телескопа (в ней более миллиарда пикселей), аппарат получил прозвище «Самая большая цифровая камера в мире».

«Гайя» должна была полететь в космос на месяц раньше, 19 ноября 2013 года. В конце октября, однако, возникло подозрение, что транспондеры (приемники-передатчики сигнала) на борту аппарата могут оказаться дефектными. В сообщении самого Европейского космического агентства говорилось, что поводом для подозрения стала некорректная работа таких же транспондеров в другой (неназванной) космической миссии. Инженеры агентства решили не рисковать и заменить детали. Для этого телескоп пришлось возвращать в Европу, и запуск был отложен.

«Гайя» и звезды

Основная цель аппарата — собрать данные о звездах, составляющих Млечный путь. Всего планируется проанализировать данные о миллиарде звезд, построив на основе собранной статистики самую точную на сегодняшний день карту нашей галактики. Но как именно планируется решить такую масштабную задачу?

Ученые собирают ПЗС-матрицы для «Гайи»

«Гайя» — высокоточная обсерватория, на борту которой установлены два телескопа. Собранный телескопами свет падает на блок из 106 отдельных высокочувствительных ПЗС-матриц. Вместе они образуют массив, линейные размеры которого — 100 на 50 сантиметров, а получаемое разрешение может достигать миллиарда пикселей. Это основной рабочий инструмент обсерватории. Помимо телескопов на борту имеются фотометр и спектрометр.

«Для определения координат звезд в трехмерном пространстве "Гайа" использует метод астрономического параллакса, — рассказал «Ленте.ру» профессор Университета штата Миссури Сергей Копейкин. — Видимое на небе положение звезды меняется по мере движения космического аппарата по орбите. Величина этого изменения прямо пропорциональна расстоянию до звезды. Измеряя величину смещения звезды на небосводе в течение одного года, можно точно определить расстояние до звезды, выраженное в астрономических единицах (среднее расстояние от Земли до Солнца)».

50 гигабайт в сутки

Область видимости каждого из телескопов обсерватории сравнительно невелика. Чтобы покрыть небесную сферу, «Гайя» будет вращаться вокруг собственной оси. При таком движении свет от каждой из звезд будет проходить по ПЗС-матрице, разделенной на несколько функциональных секторов. Планируется, что при проходе через первый и второй столбцы матрицы (по столбцу на телескоп) компьютер выбирает звезды, за которыми будет вестись наблюдение.

Затем свет попадет на основную (астрометрическую) часть матрицы. Она настроена таким образом, чтобы свет от звезды регистрировался лишь сравнительно небольшим числом пикселей, своего рода рамкой вокруг звезды. Делается это для того, чтобы информацию можно было успеть обработать. Именно данные, полученные здесь, предполагается использовать для метода астрономического параллакса. Астрометрическая часть является общей для обоих телескопов.

«Гайя»

После основной части матрицы свет звезды попадет на столбцы матриц, которые отвечают за измерение фотометром. Здесь собирается информация о спектре, которая позволяет определить температуру и химический состав звезды. Наконец последний сектор матрицы предназначен для спектрометрического анализа. Данные отсюда на основе эффекта Доплера позволяют определить радиальную скорость звезды (то есть проекцию ее скорости на прямую, соединяющую наблюдателя и саму звезду). Собранная информация — около 50 гигабайт в день — передаются на Землю. Всего за 6 лет работы «Гайя» должна передать ученым более петабайта данных.

Главное, впрочем, здесь не количество, а качество информации. «Современная техника на борту аппарата позволяет получить очень высокую точность измерения. „Гайя“ позволяет измерять угол на небе между направлениями на две звезды, с точностью 25 микросекунд дуги. Это соответствует углу, под которым, например, видна монета достоинством 25 американских центов на поверхности Луны. Наиболее точные астрометрические измерения, проведенные до „Гайи“, были достигнуты с помощью радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой, где была достигнута точность 10 микросекунд дуги. Однако эти измерения проводятся лишь для отдельных объектов на небе, в то время как „Гайя“ будет измерят параллаксы миллионов звезд», — рассказал Сергей Копейкин.

Темная материя и прочее

Для чего ученым может понадобиться такое количество данных? В первую очередь информация о положении звезд и их скоростях позволит существенно уточнить размеры и структуру нашей галактики. Более того, она позволит точнее оценить количество в Млечном пути темной материи (или скрытой массы) — загадочной субстанции, которая участвует в гравитационном, но не участвует в электромагнитном взаимодействии. Известно, что этой материи во много раз больше, чем материи видимой — ее еще называют барионной. Для оценки этого количества ученым необходимо знать зависимость скорости звезд от их расстояния от центра Млечного пути (в свое время анализ такой закономерности привел к открытию самой темной материи).

«Гайя» является частью научной программы Европейского космического агентства под названием «Горизонт 2000 Плюс». В рамках этой программы был запущен телескоп «Гершель». Он находился в точке L2, но, в отличие от «Гайи», был расположен так, чтобы всегда держаться в земной полутени (полной тени в точке либрации нет, так как туда доходит рассеянный на атмосфере солнечный свет). В июне 2013 года телескоп официально завершил миссию и был выведен на орбиту вокруг Солнца.

«Информация о движении звезд пригодится в высокоточных экспериментах по проверке общей теории относительности (ОТО) с двойными пульсарами. „Гайя“ и сама позволит провести независимую проверку ОТО путем наблюдения эффекта отклонения лучей света, идущих от звезд, гравитационным полем Солнца. С учетом того, что „Гайя“ будет измерять положения звезд с точностью 25 микросекунд дуги и соберет огромный статистический материал, точность проверки ОТО в солнечной системе превзойдет предыдущие эксперименты по гравитационному отклонению света Солнцем по крайней мере на один порядок», — рассказал «Ленте.ру» профессор Копейкин.

Также аппарат планируется использовать для поиска экзопланет. Дело в том, что каждая из звезд в будущем каталоге «Гайи» будет наблюдаться как минимум 70 раз. Теоретически это позволит проанализировать кривые блеска звезд и их спектры, для обнаружения в них аномалий, который могут указывать на наличие в системе планеты. Наконец, по словам создателей, космическая обсерватория может быть приспособлена для наблюдения за астероидами.

Вторая лагранжева точка

Для выполнения всех поставленных задач нужно, чтобы аппаратура телескопа всегда оставалась в режиме максимальной чувствительности — ведь, как говорилось, ей придется пронаблюдать за более чем миллиардом звезд. Именно поэтому аппарат решено поместить в окрестности так называемой второй лагранжевой точки (L2, или точки либрации) системы Земля-Солнце.

Точки Лагранжа в системе Земля-Солнца

Точки либрации возникают в одном из упрощенных вариантов задачи трех тел. В этом упрощении предполагается, что масса двух тел сильно больше третьего, поэтому оно (третье) на первые два никак не влияет. В результате оказывается, что в такой системе существуют точки, где силы притяжения двух массивных тел уравновешиваются центростремительным ускорением. Таких точек всего пять. Три из них расположены на прямой, соединяющей центры масс первых двух тел. В системе Земля-Солнце вторая точка находится на расстоянии примерно 1,5 миллиона километров от Земли.

Вторая точка Лагранжа является точкой неустойчивого равновесия — это означает, что малейшее возмущение аппарата приводит к тому, что он, в конечном итоге, покидает окрестность точки. Чтобы удерживать аппарат в окрестностях L2, потребуется топливо. Запасов на борту аппарата хватит на несколько лет работы.

Вокруг точки Лагранжа «Гайя» будет двигаться по так называемым кривым Лиссажу — аналогам орбит в окрестности точки либрации. Благодаря этому, в частности, Земля не будет блокировать солнечный свет и аппарат сможет получать достаточно энергии с помощью своих солнечных батарей. Главным достоинством второй точки либрации является стабильность окружения аппарата — ему, например, не придется переходить из дневного режима в ночной. Такого рода переходы всегда негативно сказываются на чувствительности аппаратуры.

Первые данные «Гайя» начнет передавать уже очень скоро. Ученые по всему миру ждут, что им покажет «самая большая в мире цифровая камера». На вопрос о том, пригодится ли ему информация с «Гайи», профессор Сергей Копейкин отвечает: «Безусловно, я буду использовать результаты „Гайи“ для лучшего понимания природы гравитационного поля в общей теории относительности. А может, и в возможных обобщениях в область квантовой теории поля».