Pierwszy rok obserwacji naukowych misji Gaia

Po starcie 19 grudnia 2013 roku i sześciomiesięcznym okresie testów oraz kalibracji na orbicie, 25 lipca 2014 roku sonda rozpoczęła główny program operacji naukowych. Umieszczona w punkcie libracyjnym L2, 1,5 miliona kilometrów od Ziemi, Gaia bada fragmenty nieba wokół siebie, obserwuje gwiazdy oraz wiele innych obiektów astronomicznych. Poprzez wyjątkowo dokładny, wielokrotny pomiar pozycji gwiazd Gaia może określić odległość do nich oraz ich względny ruch przez Drogę Mleczną.

Przez pierwsze 28 dni Gaia pracowała w specjalnym trybie skanowania, w którym próbkowała duże obszary nieba (jednak zawsze obejmujące bieguny ekliptyczne). Oznacza to, że sonda obserwowała te same gwiazdy kilkukrotnie, dostarczając cenną bazę danych konieczną do wstępnej kalibracji misji.

Pod koniec tej fazy, 21 sierpnia 2014, Gaia rozpoczęła główny program badawczy, stosując specjalnie zaprojektowaną technikę skanowania, która umożliwia najlepsze obserwacje całego nieba.

Od czasu rozpoczęcia rutynowej pracy satelita zarejestrował 272 miliardy pomiarów pozycji (dane astrometryczne), 54,4 miliarda pomiarów jasności (dane punktów fotometrycznych) oraz 5,4 miliarda widm gwiazd.

Przez rok zespół misji Gaia przetwarzał i analizował dane, do czasu aż opracowane zostały główne produkty naukowe misji. Są nimi ogromne publiczne katalogi zawierające pozycję, odległość, ruch oraz inne parametry ponad miliarda gwiazd. Ponieważ są to wielkie, złożone zbiory danych, wymagają dużych nakładów pracy ze strony ekspertów oraz programistów z całej Europy, połączonych w Konsorcjum Przetwarzania Danych i ich Analizy (DPAC).

„Ostatnie dwanaście miesięcy było bardzo intensywne, ale dajemy sobie radę z napływającymi danymi i jesteśmy gotowi na cztery lata pracy” mówi Timo Prusti, kierownik naukowy projektu Gaia w ESA.

„Do pierwszej, zaplanowanej na wakacje 2016 roku publikacji wczesnej wersji katalogu danych został niecały rok. Jesteśmy w połowie opracowywania danych z pierwszego roku. Tym samym możemy zaprezentować kilka wstępnych wyników pokazujących, że satelita pracuje prawidłowo oraz że proces zbierania danych przebiega poprawnie”.

W ramach jednej z części fazy potwierdzenia danych zespół misji Gaia zmierzył paralaksę wstępnej próbki dwóch milionów gwiazd.

Paralaksa to pozorny ruch gwiazdy względem odległego tła obserwowany w okresie roku, wynikający z ruchu Ziemi wokół Słońca. Jest on również obserwowany z misji Gaia, okrążającej Słońce w pobliżu Ziemi, przy czym paralaksa nie jest jedynym ruchem zaobserwowanym przez misję: gwiazdy poruszają się również w przestrzeni. To zjawisko określa się jako ruch własny.

Gaia wykonała średnio 14 pomiarów każdej obserwowanej gwiazdy na niebie. Jest to jednak liczba niewystarczająca do dokładnego określenia paralaksy oraz ruchu własnego.

Aby poradzić sobie z tym problemem, naukowcy połączyli zebrane dane z danymi z katalogu Tycho-2, które zostały zgromadzone w latach 1989-1993 przez poprzednika misji Gaia, satelitę Hipparcos.

Ogranicza to próbkę danych z ponad miliarda gwiazd obserwowanych przez misję Gaia właśnie do wspomnianych 2 milionów, umożliwia jednak uzyskanie wstępnego wglądu w jakość zebranych danych.

Im bliżej Słońca znajduje się gwiazda, tym większa jest jej paralaksa, przez co można użyć tej wartości, aby określić odległość gwiazdy. Z kolei odległość może zostać użyta, aby przekształcić jasność obserwowaną gwiazdy w wartość „jasności absolutnej”.

Astronomowie nakładają jasność absolutną gwiazd na ich temperaturę (określaną na podstawie koloru gwiazd), aby stworzyć diagram Hertzsprunga-Russella, nazwany na cześć dwóch uczonych z początku XX wieku. Zauważyli oni, iż taki diagram można zastosować jako narzędzie do zrozumienia ewolucji gwiazd.

„Nasz pierwszy diagram Hertzsprunga-Russella, w którym jasności absolutne bazują na danych zebranych w pierwszym roku misji Gaia, katalogu Tycho-2 oraz na pochodzących z obserwacji naziemnych informacjach o kolorze gwiazd, daje nam próbkę tego, co zobaczymy w nadchodzących latach”, mówi Lennart Lindegren, profesor Uniwersytetu w Lund, jeden z pomysłodawców misji Gaia.

Gdy misja Gaia wielokrotnie skanowała ten sam obszar nieba, mierząc ruch gwiazd, była również w stanie zauważyć, czy gwiazdy zmieniały jasność, i tym samym zaczęła odkrywać bardzo interesujące obiekty astronomiczne.

Gaia odkryła już setki zjawisk krótkotrwałych. Pierwszym z nich była supernowa z 30 sierpnia 2014 roku. Te odkrycia regularnie przekazywane są społeczności naukowej w formie „alertów naukowych”, od razu po zauważeniu. Pozwala to na szybkie wykonanie kolejnych obserwacji z wykorzystaniem teleskopów naziemnych, aby lepiej określić naturę zjawiska.

Przy obserwacji jednego z takich zjawisk odnotowano nagły i gwałtowny wzrost jasności o 5 rzędów wielkości. Okazało się, że Gaia zaobserwowała tak zwany układ kataklizmiczny, czyli system dwóch gwiazd, w którym jedna jest gorącym białym karłem pożerającym masę swojego normalnego sąsiada. Pochłanianie materii powoduje nagłe rozbłyski światła. Okazało się również, że jest to układ zaćmieniowy, w którym nieco większa gwiazda w pełni zasłania mniejszego, lecz jaśniejszego białego karła.

Zazwyczaj obie gwiazdy w takim układzie powinny mieć dużą ilość helu oraz mało wodoru – ta i kolejne obserwacje pomogą astronomom zrozumieć, jak obie gwiazdy utraciły wodór.

Misja Gaia odkryła dużą ilość gwiazd, których jasność regularnie zmienia się w czasie. Wiele z tych odkryć zostało wykonanych między lipcem i sierpniem 2014 roku, gdy Gaia wykonała wiele następujących po sobie obserwacji tych samych fragmentów nieba w pobliżu biegunów ekliptycznych. Seria dokładnych obserwacji tych regionów umożliwiła odnalezienie oraz przebadanie występujących tam gwiazd zmiennych.

W pobliżu południowego bieguna ekliptycznego znajduje się słynny Wielki Obłok Magellana (LMC), będący galaktyką karłowatą i bliskim towarzyszem naszej galaktyki, Drogi Mlecznej. Misja Gaia dostarczyła szczegółowe krzywe blasku dziesiątek gwiazd zmiennych typu RR Lyrae w LMC, szczegóły zawarte w danych wskazują na bardzo wysoką jakość pomiarów.

Innym ciekawym obiektem obserwowanym w tej samej fazie misji jest Mgławica Kocie Oko (NGC 6543), mgławica planetarna znajdująca się w pobliżu północnego bieguna ekliptycznego.

Mgławice planetarne kształtują się, gdy zewnętrzne warstwy atmosfery starzejącej się gwiazdy o niskiej masie są odrzucane i wchodzą w interakcje z otaczającym je ośrodkiem międzyplanetarnym, pozostawiając za sobą gęstego białego karła. Misja Gaia wykonała ponad dwieście obserwacji Mgławicy Kocie Oko i zarejestrowała ponad 84 tysiące gazowych filamantów – cechy charakterystycznej tego typu obiektów. Wraz z kolejnymi obserwacjami Gaia będzie mogła dalej badać rozszerzanie się obłoków gazu w tej oraz innych mgławicach planetarnych.

Bliżej naszej planety Gaia odkryła dużą ilość asteroid, małych skalistych ciał, które wypełniają nasz Układ Słoneczny głównie między orbitami Marsa i Jowisza. Ponieważ asteroidy znajdują się stosunkowo blisko i okrążają Słońce, na zdjęciach astronomicznych poruszają się na tle gwiazd. Pojawiają się raz w danym polu widzenia, ale już nie na kolejnych zdjęciach tego samego obszaru.

Naukowcy misji Gaia napisali specjalne oprogramowanie, które wyszukuje te „odstające punkty” i porównuje je z orbitami znanych asteroid, aby usunąć je z danych używanych do badania gwiazd. Jednak te same informacje pomogą lepiej scharakteryzować znane asteroidy oraz odkryć tysiące nowych.

Oprócz pomiarów astrometrycznych i fotometrycznych Gaia zbiera też widma wielu gwiazd. Podstawowym założeniem jest użycie tych danych, by określić ruch gwiazd w osi sonda-gwiazda. Robi się to poprzez pomiar przesunięcia linii spektralnych wynikających z efektu Dopplera. Jednak w spektrach niektórych gorących gwiazd Gaia zauważyła również linie spektralne pochodzące z gazów znajdujących się w położonej przed nimi przestrzeni międzyplanetarnej, co pozwala uczonym zbadać rozkład tych gazów w przestrzeni.

„Te wczesne badania demonstracyjne pokazują jakość danych zebranych dotychczas przez misję Gaia oraz możliwości ich przetwarzania. Finalne produkty nie są jeszcze gotowe, ale pracujemy ciężko, aby dostarczyć pierwsze pakiety danych społeczności naukowej w przyszłym roku. Bądźcie cierpliwi”, podsumowuje Prusti.

O misji Gaia

Gaia jest misją ESA badającą miliard gwiazd w naszej galaktyce oraz w najbliższym galaktycznym sąsiedztwie w celu zbudowania najdokładniejszej trójwymiarowej mapy Drogi Mlecznej. Pozwoli to odpowiedzieć na pytania dotyczące powstania i rozwoju naszej galaktyki

Głównym naukowym wynikiem misji będzie katalog obserwowanych gwiazd określający ich pozycję, ruch, jasność oraz barwę. Wczesna wersja katalogu zostanie opublikowana w 2016 roku. W międzyczasie strategia obserwacji misji Gaia, polegająca na wielokrotnym skanowaniu całego niebo, pozwala odkryć i zmierzyć wiele zachodzących zjawisk, o których społeczność naukowa jest informowana w formie alertów naukowych

Specyfika misji Gaia prowadzi do uzyskania ogromnej ilości złożonych i bardzo cennych danych, zaś ich przetwarzanie stanowi wyzwanie po względem potrzebnych nakładów wiedzy oraz dedykowanej mocy obliczeniowej. Wielki ogólnoeuropejski zespół naukowców oraz programistów, Konsorcjum Przetwarzania Danych oraz ich Analizy (DPAC, Data Processing and Analysis Consortium), ulokowany i finansowany w wielu państwach członkowskich ESA, odpowiada za przetwarzanie oraz potwierdzanie danych zabranych przez misję Gaia. Jego głównym celem jest stworzenie Katalogu Gaia. Badania naukowe oparte na zebranych danych rozpoczną się dopiero po tym, jak katalog zostanie udostępniony społeczności naukowej.