Új korszak a Galaxisban

Gaia – a Tejútrendszer feltérképezése háromszögeléssel

Távolságmérés a csillagászatban

A Világegyetem megismerése során az egyik legfontosabb feladat a vizsgált égitestek távolságának megállapítása. Bár a csillagászok közel százféle – zömmel asztrofizikai alapokra épülő – távolságmeghatározási módszert dolgoztak ki, bizonyos előfeltevések miatt mindegyikük csak közelítő értéket ad a távolságra. Csupán egyetlen eljárás ad elvileg helyes eredményt: a geodéziában is általánosan használt háromszögelés.

Csakhogy az égitestek rettentően távol vannak, ezért a csillagászati távolságmérés során a földmérési alkalmazáshoz képest sokkal hosszabb bázisvonal és nagyságrendekkel megnövelt szögmérési pontosság szükséges. A Föld Nap körüli keringése megfelelően nagy bázistávolságot ad: a Föld pályájának két átellenes pontja kb. 300 millió km-re van egymástól, és e két pontból – fél év különbséggel – mérve van esély az égitestek parallaktikus elmozdulásának kimutatására. (Térlátásunk is a parallaxis jelenségén alapul: a bal és a jobb szem – kissé más irányból nézve – eltérő háttér előtt látja a közeli tárgyakat.) A Naphoz legközelebbi csillag, a 4,24 fényévre levő Proxima Centauri parallaxisa azonban mindössze 0,768 ívmásodperc, a távolabbiaké még kisebb.

A földi távcsövekkel végzett szögméréseknél két tényező nehezíti a parallaxismeghatározást:

• a távcső kis látómezeje miatt a távolabbi csillagok is hasonló parallaktikus elmozdulást mutatnak, de kisebb ellipszist leírva, mint a közelebbiek, így nincs alkalmas viszonyítási alap a pontos szögméréshez;
• a földi légkör nyugtalansága eleve rontja a szögmérés pontosságát.

A megoldás: űrasztrometria

A Földön kívüli platformról végzett pozícióméréseknél viszont nem lépnek fel ilyen nehézségek, ezért az Európai Űrügynökség (European Space Agency, ESA) már korábban is bocsátott fel asztrometriai űreszközt. Az 1989 és 1993 között működő Hipparcos – az első kifejezetten asztrometriai célú űrtávcső – ezred ívmásodperc pontosságú mérései alapján 118 000 csillag parallaxisát határozták meg. A Hipparcos megmutatta az űrből végzett asztrometria jelentős fölényét a földi pozíciómérésekkel szemben, és ezen felbuzdulva a csillagászok újabb asztrometriai űrtávcső készítését igényelték. Az ugyancsak európai Gaia űrtávcső 2014 nyara óta végzi kb. 20 milliomod ívmásodperc pontosságú pozícióméréseit, és az eredetileg öt évre tervezett üzemidőn sikeresen túljutva az ESA meghosszabbította a küldetést. A szögmérés pontosságát érzékelteti, hogy egy emberi hajszál vastagságát 1000 km távolságból látnánk 20 milliomod ívmásodpercesnek, illetve a Hold felszínére helyezett babszem nagyságú tárgy lenne ilyen szögméretű.

A Gaia elképesztő teljesítménye

Bár még sok évre vagyunk a Gaia-mérések alapján összeállítandó végső katalógus nyilvánosságra hozatalától, a részeredmények máris látványosak. A Gaia minden szempontból felülmúlja elődjét, a Hipparcost: az űrtávcső látómezejébe kerülő minden égi forrás helyzetét és fényességét rögzíti 20,6 magnitúdós határfényességig. Ez mintegy 1,7 milliárd csillag vizsgálatát jelenti. Mostanáig minden égi forrásról kb. száz pozíció- és fényességmérés készült. Ebből az irdatlanul nagy adatbázisból határozzák meg az égitestek koordinátáit, a sajátmozgás két koordinátairány menti nagyságát és a parallaxis értékét, ez utóbbiból pedig kiszámítható az objektum távolsága. A szögmérés legalább százszor pontosabb, mint a Hipparcos idején. Ráadásul a fényesebb forrásokról készült kis felbontású színképekben látható vonalak Doppler-eltolódásából a kibocsátó forrás látóirányú sebessége is megkapható. Így nemcsak az 1,7 milliárd csillag – ez a Tejútrendszert alkotó csillagok kb. 1%-a – térbeli helyét lehet megadni, hanem az asztrometriai úton meghatározott sajátmozgást az arra merőleges, látóirányú sebességgel kombinálva kirajzolódik az összes mért forrás térbeli mozgása is. Azaz nemcsak a Tejútrendszer háromdimenziós térképe kapható meg a Gaia-adatokból, hanem galaxisunk múltbeli és jövőbeli állapotára is következtetni lehet. Sőt a galaktikus csillagászat mellett a Naprendszer kis égitesteire és az extragalaxisokra irányuló kutatások is rengeteget profitálnak a Gaia mérési adataiból.

A Gaia-mérések folyamatos feldolgozása során időnként részeredményeket hoznak nyilvánosságra. A 2016. szeptemberi első adatkibocsátás még csupán az első 16 hónap mérésein alapult, de a Hipparcos által is mért csillagokra közölt parallaxisok már pontosabbak voltak a Hipparcos végső katalógusában található értéknél. A 2018. áprilisi második adatkibocsátással – nem egészen kétévnyi mérési időszak adatainak feldolgozása alapján – viszont új kor köszöntött be a Tejútrendszer megismerésében. Az online elérhető adatbázisban (https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/data-release-2) egyebek között megtalálható 1,7 milliárd csillag helye és fényessége, közülük 1,3 milliárdra a sajátmozgás és a parallaxis értéke is, sőt 161 millió csillag felszíni hőmérséklete, illetve 77 millió csillag mérete és fényteljesítménye is szerepel benne. Nem mellékesen a vizsgált források közül 550 000 változó fényességű.

Az ezekből az adatokból kapott eredmények zöme még nem egyedi csillagokra vonatkozik, hanem azonos típusú csillagok csoportjára vagy fizikailag összetartozó csillagok halmazára. Egyebek között eddig rejtve maradt nyílthalmazokat fedeztek fel, és kirajzolódott a Tejútrendszerhez közeli törpegalaxis térbeli mozgása is. A csillagok mozgása alapján pedig kiderült, hogy 10 milliárd éve galaxisunk tömegvonzásával bekebelezett egy egész törpegalaxist, amelynek csillagai más pályán mozognak, mint a Tejútrendszerben kialakult csillagok.

Magyar közreműködés az asztrometriai űrprogramokban

Már a Hipparcos tudományos programjában is volt magyar kezdeményezésű kutatás: Szabados László azt vizsgálta, hogy a kísérőcsillagok hogyan befolyásolják az elsődleges kozmikus távolságindikátorként szolgáló cefeida változócsillagok parallaxisát. A Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (CSFK) Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetben általa vezetett kutatócsoport – amelyben jelentős szerepet töltött be Klagyivik Péter, Molnár László, Plachy Emese és Szegedi-Elek Elza – kezdettől tagja a Gaia adatfeldolgozó és adatelemző konzorciumának. A hazai kutatók eleinte azzal foglalkoztak, hogy hogyan lehet minél több asztrofizikai információt kinyerni a klasszikus pulzáló változócsillagok asztrometriai célra optimalizált fotometriai idősoraiból, a Gaia-adatok elemzése során pedig főként a változócsillagok – közülük is a cefeidák, RR Lyrae csillagok és a fősorozat előtti fejlődési fázisban levő változók – típusba sorolásával kapcsolatosak az eredményeik. Újabban a kozmikus objektumok váratlan felfényesedésekor kiadott riasztásokat (Gaia Science Alert) követő földi észlelésekben is részt vesznek az intézet kutatói.

A hazai közreműködők szerzőként szerepelnek a konzorcium általános cikkeiben, így a 2018 áprilisa óta nyilvános adatokat részletező tanulmányban is. Ez a folyóiratcikk a legtöbbször idézett csillagászati cikk a 2018-ban megjelent közlemények közül.

Szabados László