Itt a valaha volt legnagyobb csillagadatbázis – nyilvános a Gaia űrtávcső második adatközlése

Az évtized legjelentősebb csillagászati projektje a 2013 végén felbocsátott Gaia asztrometriai űrszondával jelenleg is zajlik. Az Európai Űrügynökség által finanszírozott Gaia fő feladatának eleget téve 2014 júliusa óta végez rendkívül pontos pozíció- és fényességméréseket. Ezek az adatok lehetővé teszik az észlelt több mint másfél milliárd csillag térbeli helyzetének meghatározását is, majd pedig abból a Tejútrendszer háromdimenziós feltérképezését és a benne zajló mozgások vizsgálatát is.

Az űrszonda működésének első 22 hónapjában végzett mérések feldolgozása után most nyilvánosságra hozott elképesztő mennyiségű adat alapján biztosra vehető, hogy újabb áttörés következik be saját galaxisunk, a Tejútrendszer megismerésében.

Az asztrometria jelentősége napjainkban

A csillagászat jelenleg az egyik leggyorsabban fejlődő tudományág. Szinte hétről hétre napvilágot lát egy-egy újabb meghökkentő vagy egyszerűen csak látványos eredmény a kozmológia, az asztrofizika vagy éppen a bolygókutatás területéről. A csillagászat ősidők óta művelt ága, az asztrometria – azaz az égitestek pozíciójának meghatározása – jellegénél fogva nem kecsegtet látványos eredményekkel, fontossága azonban vitathatatlan. Ahhoz ugyanis, hogy a csillagászat bármely, megfigyeléssel foglalkozó területe sikeres legyen, nélkülözhetetlen a szuperpontos pozíciómérés. Gondoljunk csak arra, hogy a Tejútrendszerben hozzávetőleg 200 milliárd csillag van, és az ezek közötti eligazodáshoz nagyon pontosan tudni kell az egyedi csillagok helyzetét. Megfelelő időkülönbséggel végzett többszöri pozícióméréssel pedig a csillagok egymáshoz viszonyított mozgása is feltérképezhető. Sőt elegendően hosszú alapvonal (pontosabban szakasz) két végpontjából megfigyelve az egyes csillagok pillanatnyi helyzetét, az így mért parallaktikus elmozdulásból megállapítható a szóban forgó égitest távolsága is. A geodéziában általánosan használt háromszögelés égitestekre történő kiterjesztéséről, az ún. trigonometrikus parallaxisról a Gaia első adatközlése kapcsán itt írtunk részletesen.

A parallaxis elve Forrás: Wikimedia Commons – CC-BY-SA

A távolság ismerete pedig nélkülözhetetlen, ha bármelyik égitestet vagy azok rendszerét jellemezni akarjuk. Az azonos fényességűnek látszó két fényforrás által kibocsátott energia szélsőségesen eltérhet egymástól, ha az egyik objektum például közeli csillag, a másik pedig a Tejútrendszeren kívüli csillaghalmaz, amelyik nagy távcsővel sem bontható egyedi csillagokra.

A parallaktikus elmozdulás mérése a csillagászatban

A kozmikus távolságok meghatározására a csillagászok rengeteg módszert dolgoztak ki és alkalmaznak, de azok vagy nem elég pontosak, vagy olyan feltételezésekkel élnek, amelyek csak közelítőleg teljesülnek. Egyetlen eljárás létezik csupán, amelyiknél nincs szükség egyszerűsítő vagy kiegészítő feltételekre: ez a trigonometrikus parallaxis.

Asztrometria űrcsillagászati eszközökkel

Bár napjaink csillagászatára az asztrofizikai és kozmológiai kutatások túlsúlya jellemző, az égitestek helyének és mozgásának meghatározásával foglalkozó asztrometria fontosságát mi sem jelzi jobban, mint hogy az utóbbi évtizedekben kifejezetten asztrometriai célú űrszondák is működtek/működnek. Az űrben végrehajtott mérések ugyan jóval költségesebbek, mint a földfelszíni távcsövekkel végzett mérések, de az a tény, hogy így a pontosság nagyságrendekkel javul, feltétlenül megéri a költségtöbbletet.

Az űrasztrometria már a 20. század végén megszületett: az Európai Űrügynökség (ESA) Hipparcos nevű űrszondája 1989 és 1993 között végezte méréseit a Föld körül keringve. Amikor a Hipparcos által mért 118 000 csillag helyzetének és mozgásának ezred ívmásodperc pontosságú értékeit tartalmazó katalógust 1997-ben közreadták, már nyilvánvaló volt, hogy égető szükség van a mérési pontosság további fokozására. Időközben el is kezdődött a következő asztrometriai űrmisszió tervezése, valamint a lobbizás, hogy a tervet valóra is válthassák.

Az újabb űrszonda a GAIA nevet kapta a Global Astrometric Interferometer for Astrophysics (globális asztrometriai interferométer az asztrofizika számára) kezdőbetűiből alkotott betűszóként. Amikor kiderült, hogy az interferometria módszerével nem lehet elérni a tervezett százszoros-ezerszeres javulást a szögmérés pontosságában – de természetesen találtak más megoldást a pontosság ilyen mértékű fokozására –, a küldetés nevét ügyesen átkeresztelték: az addigi GAIA helyett Gaia lett, mivel a betűszó már értelmét vesztette. Gaia a görög mitológiában a Föld istenasszonya, Uránosznak, az ég istenének szülőanyja volt. A név tehát megmaradt, csak az írásmódját változtatták meg.

A Gaia asztrometriai űrszonda 2000-ben került az ESA programjába, a megvalósítás fázisa pedig 2006-ban kezdődött. A tervezés, elkészítés és a műszerek földi ellenőrzésének hosszúra nyúló folyamata után a szondát 2013 decemberében indították a csillagászati ismereteket várhatóan jelentősen átformáló útjára. A tudományos mérések 2014 nyarán kezdődtek, és megszakítás nélkül legalább öt éven át folynak. Sőt a mérési időszak legalább kétéves meghosszabbítására is van remény, az erre vonatkozó pályázat az ESA illetékes vezetőinek elbírálására vár.

A Hipparcos és a Gaia mérési programját és teljesítőképességét ugyancsak korábbi cikkünkben hasonlítottuk össze. A Gaia egyebek között a mérési időszak hosszában is túlszárnyalja elődjét. Ez azért lényeges, mert ahhoz, hogy a periodikusan ismétlődő parallaktikus elmozdulást biztosan szét lehessen választani a csillag sajátmozgásától és a pozícióváltozást előidéző egyéb hatásoktól (pl. a kettőscsillagok esetében fellépő pálya menti mozgástól vagy a csillag körül keringő bolygó által okozott, szintén gravitációs eredetű, ám egészen csekély periodikus elmozdulástól), a csillagok égi helyzetét több éven át nagyon sok alkalommal kell megmérni. Öt évet átfogó méréssorozatból már megbízhatóan szét lehet választani a parallaxis okozta látszó mozgást az összes egyéb eredetű tényleges elmozdulástól.

A parallaktikus elmozdulás és a sajátmozgás szétválasztásához éveken át tartó megfigyeléssorozatra van szükség Forrás: Michael Richmond nyomán

Az űrben végzett asztrometriai mérések nagy előnye a földi mérésekkel szemben az, hogy a légkör torzító hatásától megszabadulva tetszőlegesen nagy szögkülönbség is mérhető, vagyis meg lehet valósítani a globális asztrometriát a földfelszínen végezhető relatív asztrometria helyett – földi távcsövekkel ugyanis kizárólag a műszer látómezejében levő objektumok helyzete közötti, nem igazán nagy szögkülönbség mérésére szorítkozhat a csillagász. Az űrasztrometria mérési módszerét és a Gaia pixelszámát tekintve világrekorder CCD-kameráját az ESA alábbi videója mutatja be részletesen.

Az űrasztrometriában talán a legnehezebb feladat a mérési adatok kiértékelése. A Gaia esetében ez a folyamat már a legelső mérések idején elkezdődött, és azóta is tart az újabban kapott egyre több adat bevonásával. Minden mért objektum – ez a Gaia esetében több mint másfél milliárd csillagot jelent, a naprendszerbeli kis égitesteket nem is számolva – látszó égi helyzetét összevetik az összes többi objektum mért helyzetével, és ezt valamennyi mérési időpontra elvégzik, tehát idővel egyre nagyobb mennyiségű adatot vonnak be az elemzésbe. A számítástechnika csúcsát jelentő berendezések igénybevételével végzett adatfeldolgozás eredményeként egyre pontosabb szög- és iránykülönbségek határozhatók meg.

Ugyancsak nagy kihívás a vonatkoztatási rendszer kezdőpontjának és alapirányainak rögzítése. Ehhez rádiósugárzást kibocsátó nagyon távoli – ezért észlelhetetlenül kis sajátmozgású – pontforrásokat vesznek igénybe a szakemberek.

A globális asztrometriai mérésekből a vizsgált forrás koordinátáin és a két koordinátatengely menti sajátmozgásán kívül a parallaxisa is megállapítható, abból pedig a távolsága. A Gaia a pozíciómérésen kívül az érzékelője előtt átvonuló objektumok színképét is rögzíti. A viszonylag keskeny hullámhossztartományban végrehajtott spektroszkópiai mérésekből meghatározható a csillag látóirányú sebessége (a térbeli mozgás harmadik komponense, amely a néhány éven át végzett asztrometriai mérésekből nem állapítható meg), de a színkép még a csillag kémiai összetételéről és fizikai tulajdonságairól is információval szolgál.

A Gaia műszerei által mért adatok folyamatos kiértékelése nem teszi lehetővé az eredmények azonnali nyilvánosságra hozatalát, de még a gyakori eredményközlés sem lenne megfelelő stratégia. Ezért a Gaia működtetéséért felelős személyek és a mérési adatok feldolgozását és elemzését végző konzorcium (Data Processing and Analysing Consortium, DPAC) vezetősége úgy döntött, hogy nagyjából kétévenként teszik hozzáférhetővé az egyre hosszabb időszakot átfogó mérések egyre pontosabb eredményeit. Amíg a Gaia működik, ezek természetesen csupán részeredmények, ám így is rendkívül fontosak.

E közlési politika alól csupán egyetlen típusú kivétel létezik. A szigorú szabályzat azt megengedi, hogy a szokatlanul gyorsan felfényesedő vagy elhalványuló égi fényforrásokról mint feltűnő jelenségekről azonnal tájékoztassák a világ csillagászait. A DPAC egy munkacsoportja folyamatosan figyeli, hogy a mért objektumok korábban mért fényességértékeivel összehasonlítva tapasztalható-e hirtelen fényességváltozás. Ha akad ilyen – márpedig naponta többre is felfigyelnek a mérési programban szereplő közel 1,6 milliárd csillag között –, akkor a legígéretesebbek helyét a rendelkezésre álló egyéb információkkal együtt mihamarabb nyilvánosságra hozzák, hogy az érdeklődő csillagászok folyamatosan követhessék az asztrofizikai szempontból érdekes tranziens jelenséget a számukra hozzáférhető távcsövekkel és más műszerekkel. A Gaia mérési programjának összeállításakor ugyanis az asztrometria szempontjai voltak az irányadók, ezért a hirtelen felfénylő vagy elhalványuló égitestek esetleg csak hetekkel-hónapokkal kerülnek újra a Gaia távcsövének látómezejébe.

A tranziens fényességváltozásra tudományos riasztás (Science Alert) keretében hívják fel a figyelmet. Az MTA CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetének egyik kutatócsoportja a riasztás során meghirdetett objektumok közül a fiatal csillagok kitöréseit követi nyomon, továbbá azt is vizsgálja, hogy miként lehetne minél nagyobb számban megtalálni a kitörésre hajlamos fiatal csillagokat a Gaia nem igazán gyakran végzett fényességmérései alapján.

A V555 Orionis fiatal csillag fényességváltozása a Gaia méréseinek kezdete óta. A vízszintes tengely menti skálán egy osztás kb. 50 napnak felel meg, a függőleges tengelyen a fényesség magnitúdóban van feltüntetve. A fekete háromszögek a Gaia észlelései (széles sávú G magnitúdó), a piros kereszt a hirtelen megnőtt fényesség hatására kiadott riasztást jelzi, a zöld színű jelek a riasztás utáni észlelések (az R fotometriai sávban, amelyben a fényesség csak kissé tér el a G magnitúdótól), ezek között csillag jelöli a piszkéstetői Schmidt-távcsővel végzett észlelések eredményét (Szegedi-Elek Elza szívességéből). Forrás: Szegedi-Elek Elza

A Gaia első adatközlése

A szonda működésének első 16 hónapja során végzett mérések részeredményeit 2016 szeptemberében hozták nyilvánosságra. Akkor csupán a legfényesebb kétmillió csillag égi koordinátái, sajátmozgása és parallaxisa vált ismertté, ráadásul a sajátmozgás meghatározása során a negyedszázaddal korábbi Hipparcos-méréseket is figyelembe vették. A Gaia méréseinek pontosságát, egyúttal a misszió sikerét jól jelzi, hogy az alig másfél évet átfogó mérési adatokból pontosabb parallaxisok adódtak, mint a korábbi asztrometriai űrszonda, a Hipparcos közel négyéves időszakot lefedő teljes adatsorából.

A Gaia adatbázisa azonnal népszerűvé vált a csillagászok között. Az első adatközlés óta eltelt bő másfél évben több száz – napi átlagban legalább egy – olyan szakcikk jelent meg, amely a Gaia első közölt eredményeit is használja. Egyáltalán nem meglepő, hogy a csillagászok türelmetlenül várják az újabb és pontosabb adatokat, és persze nemcsak az eddig nyilvánosságra hozott kétmillió csillagra, hanem a Gaia által észlelt minden égitestre vonatkozóan.

A most nyilvánosságra kerülő adatokról

A tudományos célú mérések kezdete óta eltelt 45 hónapban a Gaia fedélzetén elhelyezett műszerek 52 terabájt adatmennyiséget észleltek. A Gaia második adatközlése az eredetileg tervezetthez képest kissé késett, de tartalmát tekintve a kínálata sokkal gazdagabb. 2018. április 25-én a Gaia működésének első 22 hónapjában végzett méréseinek feldolgozása után a következő adatok válnak nyilvánossá:

• 1 692 919 135 csillag helye és fényessége,
• 1 331 909 727 csillagra a sajátmozgása és a parallaxis értéke is,
• 161 497 595 csillag felszíni hőmérséklete,
• 76 956 778 csillag átmérője és luminozitása (fényteljesítménye),
• 7 224 631 csillag látóirányú sebessége.

Ezek valóban csillagászati számok! A csillagászatban mindeddig nem létezett ennyi információt tartalmazó adatbázis. De mit is jelentenek ezek a számok a csillagászatban kevésbé jártasak számára?

A másfél milliárd csillag a Tejútrendszer – saját galaxisunk – csillagállományának nagyjából egy százaléka. Annak az 1,3 milliárd csillagnak alapján, amelyeknek a most nyilvánosságra hozott adatcsomagban a koordinátáin kívül a sajátmozgása és a parallaxisa is ismertté vált, már elkészíthető a Tejútrendszer minden korábbinál pontosabb háromdimenziós térképe. A térbeli mozgás harmadik komponensét csak 7,2 millió csillag (a legfényesebbek) esetében tudjuk most meg a látóirányú sebességből, így a tejútrendszerbeli mozgások, vagyis a galaxisunkban bekövetkező dinamikai változások egyelőre csak korlátozottan követhetők nyomon.

A csillagok hőmérsékletének és luminozitásának ismerete elengedhetetlen az asztrofizikai következtetések levonásához. A részletes ismertetés helyett itt csak utalunk az asztrofizika alapvető állapotábrájára, a Hertzsprung–Russell-diagramra, amelyen egy csillag helye sok mindent elárul a csillag fejlődési állapotáról, koráról stb. A diagram vízszintes tengelyén a csillag felszíni (effektív) hőmérséklete vagy annak megfelelő más mennyiség (színképtípus, színindex) van feltüntetve, a függőleges tengely mentén pedig a luminozitás vagy az azzal egyenértékű abszolút fényesség. A mindmáig nem nyilvános, de most ismertté vált adatok alapján készített diagramot természetesen még nem tudjuk bemutatni, de a 2016. szeptemberben közzétett adatok alapján készített ábra így néz ki:

A Gaia mérései alapján elsőként (2016 szeptemberében) nyilvánosságra hozott eredmények szerint így néz ki a Nap 1300 fényév sugarú környezetében levő 150 000 csillagra vonatkozó Hertzsprung–Russell-diagram. Forrás: ESA

A rengeteg csillag közül 550 737 csillag fényessége változónak bizonyult. Ez egyszerre sok és kevés. Annak alapján megítélve sok, hogy eddig jóval kevesebb (legfeljebb kétszázezerre becsülhető) csillagról tudtuk, hogy nem állandó a fényessége. Ha pedig abból indulunk ki, hogy a Hipparcos mérési programján szereplő csillagok közül majdnem minden tizedik esetében időben változónak bizonyult a fényessége, akkor a várakozás szerint a százmilliót is meghaladhatja a Tejútrendszerben felfedezésre váró változócsillagok száma. Ehhez viszonyítva a most nyilvánosságra kerülő félmillió változócsillag kevésnek tűnik. A változócsillagok közül a cefeida és RR Lyrae típusú pulzáló csillagok adatainak elemzésében ugyancsak részt vesz az MTA CSFK Csillagászati Intézetének több kutatója a Gaia DPAC tagjaként.

A most nyilvánosságra hozott adatbázis részeként megtudhatjuk továbbá 14 099 naprendszerbeli kisbolygó helyzetét valamennyi megfigyelés időpontjával együtt. Ezek alapján pedig pontosítani lehet a kisbolygók pályáját. A kisbolygókról most közzétett adatok inkább csak „étvágygerjesztőül” szolgálnak. A Gaia végső adatbázisában ugyanis csaknem 300 000 kisbolygó adatai szerepelnek majd.

A következő adatkibocsátásra ismét nagyjából két évet kell várni. Akkor már a kettőscsillagokkal kapcsolatos fontos adatok is elérhetővé válnak. De a most elérhető adatok is igazi kincsesbányát jelentenek a világ csillagászai számára.

A Gaia adatbázisa 2018. április 25-én déltől itt érhető el: https://gea.esac.esa.int/archive/