Egymilliárd csillag nyomában

Trupka Zoltán beszélgetése Szabados László csillagásszal, a decemberben indult Gaia asztrometriai űrszonda kapcsán.

Az Európai Űrügynökség (ESA) asztrometriai űrszondája, a 2013. december 19-én indult Gaia öt év alatt egymilliárd csillag pozícióját fogja megmérni rendkívüli pontossággal. Erre azért van szükség, mert a csillagok fizikai tulajdonságainak megismeréséhez pontos távolságukat kell először megállapítani. A projektben az MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (CSFK) Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet munkacsoportja is részt vesz. Vezetőjükkel, Szabados László csillagásszal beszélgettünk a részletekről.

Mi vonzotta az asztrometria területére?

A csillagászat már általános iskolás koromban is érdekelt. A Kulin György vezette Uránia Csillagvizsgálóban Ponori Thewrewk Aurél szakkörébe jártam. Csillagász akartam lenni, és amikor 1971-ben elvégeztem az ELTE-n a geofizikus–csillagász szakot, rögtön az MTA Csillagvizsgáló Intézetébe kerültem. A cefeida típusú változócsillagok vizsgálatába kezdtem, mert azok nagyon érdekes és fontos objektumok, ugyanis az univerzum távolságskáláját nem kis részben a cefeidák alapján határozzák meg. A cefeidák fényességüket, színüket és átmérőjüket néhány napos vagy hetes periódussal változtató, jellemzően 3–10 naptömegű szuperóriás csillagok. A pulzáció a csillag sajátrezgése, emiatt a periódus összefügg a cefeida méretével, tömegével és fényteljesítményével, így ezeket a csillagokat viszonyítási pontként lehet használni az őket tartalmazó csillaghalmaz vagy galaxis távolságának meghatározásánál. Az e módszerrel számított távolságok a lehető legpontosabbak.

Van-e köze a cefeidáknak ahhoz, hogy részt vesznek a Gaia programban?

Tulajdonképpen a cefeidák tereltek az asztrometria irányába. Ez nem hoz olyan látványos eredményeket, mint az exobolygók kutatása, viszont lényegében a csillagászat alapja. Ahhoz, hogy egy égitestről érdemben nyilatkozni tudjunk, ismernünk kell a távolságát. A látszó fényességből nem lehet megmondani, mennyi fényt bocsát ki, ahhoz tudni kell, hogy milyen messziről sugároz. De a távolságot közvetlenül csak a közelben, a Naprendszerben tudjuk mérni, kijjebb már nehézségekbe ütközünk. A közeli csillagok parallaxisát még hagyományos háromszögeléses módszerekkel közvetlenül is meg lehet határozni, s ily módon kalibrálni lehet a közeli cefeidák periódus–fényesség összefüggését is. Az Európai Űrügynökségnek volt egy korábbi missziója, a Hipparcos. Ez volt az első asztrometriai mesterséges hold. 1989 és 1993 között nagyon pontos pozíciókat és égi mozgásokat mértek meg. Pályázni lehetett, hogy milyen csillagokat vegyenek fel a programba, én a fényesebb cefeidákat javasoltam. Amikor véget ért a Hipparcos mérési programja, megkaptam a mérési adatokat, hogy dolgozzam fel a magam szempontjai szerint. Akkor hívtam fel a figyelmet arra, hogy a kettős rendszerbe tartozó cefeidák kísérőcsillagai meghamisítják a Hipparcos pozícióméréseiből az égi mozgások alapján számított cefeidatávolságokat.

Mit várnak a Gaiától, mennyivel fog többet tudni, mint a Hipparcos?

A Hipparcos az akkori műszaki és számítástechnikai szintnek megfelelően 118 ezer kiválasztott csillag helyzetét, mozgását mérte meg, viszonylag egyenletesen lefedve az égboltot. Az adatok feldolgozása után kiderült, hogy a Hipparcos mérési pontossága még nem elég. De a misszió megmutatta, hogy milyen jelentősége van az asztrometriai űrszondáknak, és amikor 1997-ben közreadták a Hipparcos katalógusát, már javában lobbiztak, hogy legyen folytatása. Ez lett a Gaia misszió.

Meg is határozták azokat a paramétereket, amelyeket a Gaiának teljesítenie kell. Hogy ezt hogyan érik el, akkor még senki nem tudta. Kiadták a mérnököknek a feladatot, hogy van rá tíz évetek, tessék kidolgozni, megvalósítani! És az meg is történt. A Gaia szkenneli az eget. Egy nagy felületű, kis pixelméretű CCD-kamera előtt végigvonulnak a csillagok, és az átvonulás idejét és helyét pontosan meghatározzák. A programban minden csillag szerepel, amit az égbolton lát kb. 20 magnitúdóig, így egymilliárd csillag adatait fogja megmérni pontosan.

A Gaia űrszonda. (Fantáziakép: ESA)

A Hipparcos néhány ezred ívmásodperc pontossággal mért, összehasonlításképpen a telihold látszó átmérője kb. 1800 ívmásodperc! A Gaia mérési pontossága majdnem eléri a milliomod ívmásodpercet. Ekkora szög alatt látszik egy emberi hajszál vastagsága 10000 km-ről. A Gaia átlagosan napi 40 millió észlelést hajt végre, 5 év alatt 1 petabyte-nyi (1 millió GB) adatot gyűjt össze, amennyi kétszázezer DVD-n férne el. Ahhoz azonban, hogy jellemezni tudjuk egy objektum a térbeli helyzetét és mozgását, nem elég a koordináták, a távolság és az égbolton való elmozdulás ismerete. Tudni kell azt is, hogyan mozog látóirányban. Ezt a radiális sebesség mérésével határozzák meg a csillagászatban. A Gaián olyan eszköz is lesz, amely km/s pontossággal méri a vizsgált objektum látóirányú mozgásának sebességét a színképvonalak Doppler-eltolódásából. Miután a spektroszkópiához sok fényre van szükség, ezért a spektrométer 15 magnitúdós határig tud majd mérni. A Gaia meghatározza több százmillió csillag helyzetét és térbeli mozgását, ezért mondják, hogy 3D-s térképet fog készíteni a Tejútrendszerről.

A Hipparcos a Föld körül keringett, a Gaia viszont a Nap–Föld-rendszer egyik librációs pontja (L2) körül fog, 1,5 millió km-re a Földtől, ami persze nehézségekkel jár. Ilyen távolságból kell az adatokat küldenie, pályakorrekciókat elvégezni, nagy pontossággal meghatározni a pillanatnyi helyzetét. Előnye, hogy a Földtől olyan távol stabil a hőmérsékleti környezet, ami nagyon lényeges ahhoz, hogy egészen parányi szögkülönbségeket lehessen mérni. A Gaia két kamerája egymással 106,5 fokos szöget bezáró irányokba néz. Miközben az űrszonda lassan, 6 óránként egyszer megfordul a tengelye körül, a kamera végigpásztázza az égboltot. A Föld és vele együtt az L2 pont környékén működő űrszonda Nap körüli keringése következtében lassan elfordul a tengelye, így az egész égboltot letapogatják az érzékelők. A Gaia digitális kamerája 106 darab CCD-ből áll, így a felbontása 900 megapixel. Az adatok kiértékelésekor a mért pozíciókat összehasonlítva kimutatható a csillagok úgynevezett parallaktikus elmozdulása, amiből kiszámítható a távolságuk. Földi távcsövekkel ezzel a módszerrel a légkör zavaró hatása miatt csak néhány száz fényévig lehet távolságot mérni. Ezzel szemben a Gaia adataiból a több tízezer fényévre levő csillagok távolsága is kiszámítható a hihetetlenül pontosan mért parallaktikus elmozdulásokból.

Mi a szerepe ebben a programban? Most is pályázniuk kellett?

Nem, most nem kellett pályázni, mert egyszerűen adva volt, hogy 20 magnitúdóig minden csillagot megmér, méghozzá 5 év alatt átlagosan 70 alkalommal. A Gaia indítását megelőzően már évek óta az adatszimulációkban, előzetes számításokban működünk közre. Van egy kb. 400 fős konzorcium, amelynek tagjai ilyen jellegű tudományos kutatásokban, azaz a Gaia tudományos programjának az előkészítésében vesznek részt. E konzorcium tagjaiként a cefeida típusú változócsillagok fotometriai és fizikai jellemzőit kutatjuk, hogy minél több fizikai tulajdonságukat meg lehessen határozni a Gaia mérési adataiból. Én azzal kerültem be a Gaia tevékenységi körébe, hogy elültettem a bogarat az asztrometria néhány vezető kutatójának a fülébe, hogy a kettős cefeidáknál meg kell határozni a kísérők hatását. Korábbi eredményem szerint ugyanis a cefeidák legalább felének van kísérőcsillaga, és több tucat olyan közeli cefeida van, amelyeknél a kísérő objektumot észlelni is lehet. Ezek segítségével pontosítható a periódus–fényesség reláció, a kozmikus távolságmeghatározás egyik legfontosabb alapköve.

Trupka Zoltán

Az interjú eredeti változata az Élet és Tudomány című hetilap idei 4. számában jelent meg. A magyar nyelven egyedülálló, nagy múltú, 69. évfolyamában járó ismeretterjesztő lap szinte minden héten közöl űrkutatási vonatkozású cikkeket, híreket. Nemrég megújult internetes honlapjuk is. Nem csak nyomtatott, de digitális változatban is hozzáférhető.

Kapcsolódó cikkek:
Gaia: egy lépéssel közelebb az égbolt feltérképezéséhez
A Gaia űrobszervatórium a megvalósulás útjára lépett
Elkészült a Gaia milliárd pixeles „szeme”
A Gaia első „szárnybontása”
Elindult a Gaia
Megérkezett állomáshelyére a Gaia
Menteni, ami menthető (4. rész) - Hipparcos
Készítsünk éggömböt!