Tadaszak rozmawia: Dr Anthony Brown

Jak zapewne wielu z was słyszało, 25 maja zostaną udostępnione dane z europejskiej misji Gaia. Podstawowe dane na temat ponad miliarda obiektów w Drodze Mlecznej (i nie tylko) będzie ogromną bazą danych, z której będziemy korzystać garściami.

Astrometria jest zapewne najstarszą dziedziną astronomii. Od czasów Hipparcha, Ptolemeusza, czy Ulug Begha poczyniliśmy ogromne postępy. Sięgamy coraz dalej i z coraz większą dokładnością. Jednak pomimo tysięcy lat badań ciągle nam mało. Bardzo to ludzkie. I mimo z pozoru „dodawania tylko miejsc po przecinku” bardzo ciekawe, czy wręcz podniecające. Na kilka pytań dotyczących kolejnego etapu umiejscawiania Ziemi w przestrzeni i czasie, odpowiedział doktor Anthony Brown z Uniwersytetu w Lejdzie, który z ramienia Uniwersytetu brał udział w projekcie Gaia.

Anthony Brown (źródło: leidenuniv.nl)

Maciej Tadaszak: Satelita Gaia jest następcą Hipparcosa. Jak te dwa projekty różnią się od siebie? Pół żartem, pół serio, czy nie boisz się kontrowersji, jak w przypadku Hipparcosa? 

Anthony Brown: Podstawowa koncepcja zdobywania danych astrometrycznych z obrotową misją skanowania jest taka sama dla Hipparcosa i Gai, gdzie oba wykorzystują dwa teleskopy i bardzo podobny sposób obserwacji nieba.

Główna różnica między Gają i Hipparcosem polega na tym, że detektory używane przez Gaję (CCD) do zbierania światła gwiazd są o wiele bardziej wydajne (około 40 razy, lub więcej) niż probówki do przetwarzania obrazu (tzw dissector tubes – polega to na skanowaniu obrazu fotokatod, by uzyskać obraz będący reprezentacją wizualną obiektu –  przyp autora) używane przez Hipparcosa. Ponadto Gaia może obserwować wiele źródeł w tym samym czasie, podczas gdy Hipparcos mógł obserwować tylko jedno. W połączeniu z większymi zwierciadłami Gai prowadzi to do znacznie większej zdolności gromadzenia fotonów, co ostatecznie prowadzi do większej dokładności jaką możemy osiągnąć.

W misji Hipparcos była tylko jedna kontrowersja, którą była odległość od Plejad. Teraz problem ten został już rozwiązany, gdyż Gaia mierzy odległość, która ma być taka sama, jak inne pomiary w literaturze. To znaczy – pomiar Hipparcosa był błędny, ale nie mamy jasnego wytłumaczenia dlaczego tak było. Porównanie paralaks Hipparcosa i Gai wykazuje bardzo dobrą zgodność, w tym dla wszystkich innych otwartych gromad obserwowanych przez obie misje.

Jestem pewien, że dane Gai doprowadzą do wielu dyskusji w środowisku naukowym nie dlatego, że są złe, ale dlatego, że interpretacje będą się różniły i to jest właśnie ten rodzaj kontrowersji, który prowadzi do postępu w naszej wiedzy.

Sposób skanowania nieba przez satelitę Gaia (źródło: Gaia Mission – Gaia Collaboration)

MT: Opowiedz proszę trochę o metodologii. Czy pojedyncza gwiazda faktycznie mogła być obserwowana aż 70 razy?

AB: Gaja skanuje niebo obracając się wokół własnej osi co sześć godzin, a podczas tych sześciu godzin oba teleskopy skanują wielkie koło na niebie o wysokości około 0,7 stopnia. Przesuwając oś obrotu wokół kierunku Słońca, Gaia może pokryć całe niebo przez około sześć miesięcy. Biorąc pod uwagę, że podczas kilku obrotów gwiazda może być obserwowana kilkukrotnie (za pośrednictwem dowolnego teleskopu), można wytłumaczyć średnią liczbę 70 obserwacji w ciągu pięciu lat. Każda gwiazda jest obserwowana wiele razy, gdy przechodzi przez płaszczyznę ogniskową. Jeden tranzyt zazwyczaj składa się z piętnastu indywidualnych pomiarów z każdego z CCD, które gwiazda przecina.

MT: Spektrometr zastosowany na pokładzie (spektrometr prędkości radialnych) również wykorzystywał te same lustra i CCD, co instrumenty astrometryczne. Czy jest to dość proste i logiczne rozwiązanie z technicznego punktu widzenia?

AB: Rzeczywiście, spektrometr wykorzystuje te same teleskopy (lustra), ale ma dedykowany blok optyczny do wytwarzania widm od światła gwiazdowego, a dedykowana część płaszczyzny ogniskowej (12 CCD na 106) zbiera dane dla spektrometru. Rozwiązanie to było rzeczywiście tańsze i do pewnego stopnia technicznie łatwiejsze do wdrożenia, chociaż istniały wyzwania wynikające z faktu, że instrumenty spektroskopowe znajdują się na skraju płaszczyzny ogniskowej Gai.

Pokrycie nieba przez misję Gaia (źródło: J.H.J. de Bruijne – Science performance of Gaia, ESA’s space-astrometry
mission)

MT: Gaia działa na orbicie L2 poruszając się wokół tak zwanej orbity Lissajou. W tym samym punkcie operował będzie również Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Jakie są zalety umieszczania tam satelitów?

AB: Gaia potrzebuje bardzo stabilnego termicznie otoczenia (z powodów wymienionych powyżej), a nie można było tego osiągnąć, gdyby krążyła wokół Ziemi (na przykład za każdym razem, gdy Słońce zostanie zaćmione przez Ziemię, powoduje to poważne zakłócenia działania instrumentów). Punkt L2 jest naturalnym miejscem, ponieważ można dobrze przewidzieć zachowanie orbitalne satelity, a tym samym utrzymać jego orbitę.

MT: Niebo obserwowane przez Gaię zawierało obszary o większej gęstości i mniejsze, gdzie można było szczegółowo obserwować gwiazdy. Jakie było podejście do obserwacji różnych obszarów nieba?

AB: Nie ma różnicy w podejściu do gęstych i rzadszych obszarów. Jednak przy pewnej granicy gęstości (od 35000 do około 600000 gwiazd / stopień kwadratowy, w zależności od instrumentu) małe obszary wokół każdej gwiazdy, które są odczytywane z matryc CCD zaczną się nakładać. Następnie trzeba podjąć decyzję, która gwiazda dostaje pierwszeństwo w obserwacjach. Oznacza to, że w zatłoczonych (gęstych) obszarach ułamek gwiazd (zazwyczaj te słabsze) będą obserwowane rzadziej (dzięki czemu otrzymają mniej niż 70 obserwacji, które uzyskuje się średnio dla wszystkich gwiazd).
Przetwarzanie danych jest bardziej skomplikowane w gęstych obszarach z powodu nakładania się gwiezdnych obrazów widm.

MT: Chociaż planety w naszym systemie były zbyt duże (zbyt jasne) do obserwacji, Gaia obserwowała planetoidy. Czego więcej się o nich dowiemy? Dowiemy się więcej o ich masach, potencjalnych kandydatach do zderzenia z innymi obiektami systemu?

AB: Dla planetoid otrzymamy najdokładniejsze pomiary pozycji, które pozwolą na bardzo dokładne określenie orbit (które można jeszcze dokładniej określić, łącząc dane Gai z pomiarami z innych badań). Ponadto będziemy mierzyć spektrum niskiej rozdzielczości dla planetoid. Prowadzi to do połączenia bardzo dokładnej charakterystyki dynamicznej i taksonomicznej populacji takich obiektów, a to z kolei doprowadzi do nowego spojrzenia na ewolucję naszego Układu Słonecznego.
Możemy dowiedzieć się o masach planetoid badając te, które przechodzą blisko siebie. Odchylenia w ich ruchach niosą informacje o ich masach.

Gaia będzie również obserwować obiekty bliższe Ziemi, które mogą potencjalnie się z nią zderzyć. W ich przypadku ważna jest znajomość orbit.

MT: Głównym zadaniem było jednak obserwowanie gwiazd w Drodze Mlecznej. W jakim stopniu katalog Gai rozszerzy naszą mapę galaktyki i czy możemy dowiedzieć się czegoś o przestrzeni międzygwiezdnej?

AB: Hipparcos dokładnie zmapował Drogę Mleczną do około 600 lat świetlnych. Gaia zrobi to na odległości 10 razy większą, zwiększając tym samym objętość naszej wiedzy o Galaktyce o kilka tysięcy razy. Ponadto Gaia mierzy bardzo jasne gwiazdy w pełnym zakresie Drogi Mlecznej, a nawet mierzy gwiazdy w pobliskich galaktykach, takich jak obłoki Magellana i Andromeda.
Z kolorów gwiazd i ich paralaks możemy wywnioskować ilość pyłu między nami a gwiazdami. W połączeniu z wiedzą o odległościach do gwiazd powinniśmy dowiedzieć się znacznie więcej o trójwymiarowym rozkładzie obłoków pyłu i gazu między gwiazdami.

MT: W jaki sposób informacja o rozmieszczeniu poszczególnych klas gwiazd pomoże nam poszerzyć wiedzę o ich ewolucji i być może o przyszłości?

AB: Przede wszystkim polega to na porównaniu przewidywań z naszych fizycznych modeli dla gwiazd z tym, co widzimy w obserwacjach. Gwiezdne modele przewidują absolutną jasność gwiazdy, a także jej kolory. Gaia dostarczy nam danych o obserwowanej barwie i absolutnej jasności (przez paralaksę) i zrobi to z dużą dokładnością. Dzięki temu poznamy wiele szczegółów w diagramach wielkości kolorów, które zależą od tego jaki mamy rozkład gwiazd w zależności od klasy, wieku i składu chemicznego. Rozbieżności między obserwacjami i modelami doprowadzą następnie do udoskonaleń w tych modelach, co pozwoli nam lepiej przewidzieć ich ewolucję w przyszłości.

MT: Obserwacje gwiazd były również dokonywane w naszym bezpośrednim otoczeniu, mówię tu zwłaszcza o Małym i Dużym Obłoku Magellana. Co o wzajemnych relacjach Galaktyki i naszych najbliższych sąsiądów mogą nam powiedzieć te dane?

AB: Jeśli Obłoki Magellana mają wpływ na Drogę Mleczną, powinniśmy to zobaczyć w danych Gai, a w szczególności w szczegółach, w jaki sposób gwiazdy poruszają się w przestrzeni. Mogą to być gwiazdy w dysku Drogi Mlecznej lub w gwiezdnym halo. W halo, tak zwane strumienie gwiezdne (pozostałości rozbitych galaktyk karłowatych lub gromad kulistych) będą wykazywały odchylenia od normalnego ruchu orbitalnego, które można następnie interpretować w kategoriach wpływu LMC / SMC. Efekt na dysku będzie miał postać zaburzeń w jego kształcie, które pojawią się w prędkościach 3D gwiazd

Przesadnie wyolbrzymiona paralaksa gwiazd w galaktyce karłowatej w Rzeźbiarzu (źródło: directory.eoportal.org)

 

MT: Dane z misji Gai będą ogólnie dostępne. Czy nie powinno to być powszechną praktyką?

AB: Byłoby to miłe, ale trzeba również wziąć pod uwagę, że ci, którzy poświęcają swoją karierę na zbudowanie instrumentu i oprogramowania do przetwarzania danych, również chcą zostać nagrodzeni za ich wysiłki, co zwykle odbywa się poprzez udzielenie konsorcjum czasu na zbadanie danych na jeden rok, po czym stają się one publiczne. W przypadku Gai oczywiście dane będą natychmiast publiczne, a my jako konsorcjum nie mamy tej rocznej przewagi. Sądzę, że równowaga ta jest korzystna dla nauki, która zostanie wykonana z danymi Gaia.

MT: Na jakie misje ESA powinniśmy czekać ze szczególną niecierpliwością, lub na co czekasz osobiście? BepiColombo? Euclid? Plato?

AB: Euclid i Plato są ekscytującymi misjami z mojej perspektywy, ponieważ są bardzo komplementarne do Gai. Dzięki Euclidowi można wykonać wiele badań Drogi Mlecznej, łącząc dane z informacjami Gai, a Plato będzie polegał na Gai, zarówno w zakresie przetwarzania danych misji, jak i wiedzy o gwiazdach, wokół których znajdują się planety.

MT: Dziękuję za rozmowę i trzymam kciuki za fenomenalne dane.