Gaia geimsjónaukinn

Við kortlagninguna mun Gaia gera mjög nákvæmar mælingar á hreyfingu hverrar stjörnu um miðju Vetrarbrautarinnar. Þessi hreyfing ræðst að miklu leyti af fæðingu stjörnunnar en með því að rannsaka hana geta stjörnufræðingar skyggnst aftur til þess tíma þegar Vetrarbrautin var að myndast og þróast. Á þennan hátt verða til nauðsynleg gögn til að rannsaka myndun Vetrarbrautarinnar. Segja má að Gaia sé því að rannsaka fornleifafræði Vetrarbrautarinnar. Geimsjónaukinn hefur áhrif á næstum öll svið stjarneðlisfræði.

Gaia var skotið á loft klukkan 09:12 að íslenskum tíma þann 19. desember 2013 frá geimferðamiðstöð Evrópu í Kourou í Frönsku Gvæjana.

1. Bakgrunnur

Stjarnmælingar (e. astrometry) er ævaforn aðferð til að mæla staðsetningu stjarna á himinhvolfinu. Gríski stjörnufræðingurinn Hipparkos var frumherji í slíkum mælingum. Árið 129 f.Kr. gerði hann athuganir með berum augum og með einfaldri rúmfræði, skráði hann staðsetningar um það bil þúsund stjarna með þokkalegri nákvæmni miðað við skort á mælitækjum.

Á 16. öld gerði danski stjörnufræðingurinn Tycho Brahe nokkuð nákvæmar stjarnmælingar með sextanti og kvaðröntum frá eynni Hveðn milli Danmerkur og Svíþjóðar. Mælingar Brahes lágu til grundvallar þegar Jóhannes Kepler leiddi út lögmál sín þrjú um brautir reikistjarnanna.

Árið 1609 var sjónauka fyrst beint til himins. Síðar sömu öld urðu til sjónaukar sem hægt var að nota til að mæla horn í geimnum. Á 19. öld var nákvæmnin orðin slík, að mögulegt var, í fyrsta sinn, að mæla hliðrun stjarna á himninum. Með einfaldri hornafræði var hægt að nota hliðrunarhornið til að reikna út fjarlægðir til stjarnanna. Hliðrunarhornin voru mjög lítil, merki um það að stjörnurnar væru óralangt í burtu, og kröfðust nákvæmustu mælitækja sem völ var á.

Ólgandi lofthjúpur Jarðar hefur truflandi áhrif á mælingarnar og dregur úr nákvæmni þeirra. Eina leiðin til að ná nákvæmari mælingum er því að senda sjónauka út í geiminn.

Árið 1989, meira en 2000 árum eftir að Hipparkos leit til stjarnanna, sendi ESA á loft gervitungl nefnt honum til heiðurs: High Precision Parallax Collecting Satellite eða Hipparcos. Hipparkos var fyrsta gervitunglið helgað stjarnmælingum.

Hipparkos gervitunglið safnaði gögnum milli 1989 og 1993. Árið 1997 var Hipparkos skráin gefin út en í henni eru birtar staðsetningar, fjarlægðir og hreyfingar næstum 120.000 stjarna með tvö hundruð sinnum meiri nákvæmni en áður. Önnur stærri skrá, Tycho skráin, geymir upplýsingar um 2,5 milljón stjarna en er ekki eins nákvæmn.

Gaia mun fylgja eftir mælingum Hipparkosar og halda áfram kortlanginu Evrópumanna á himinhvolfinu. Sjónaukinn mun skrásetja um það bil einn milljarð stjarna með fjörutíu sinnum meiri nákvæmni en Hipparkos og afla 10.000 sinnum ítarlegri gagna en forverinn.

2. Markmið

Helsta markmið Gaia er að skrásetja og kortleggja einn milljarð stjarna í Vetrarbrautinni okkar. Það hljómar mikið en er samt innan við 1% af heildarfjölda stjarna í Vetrarbrautinni. Mælingarnar munu gera mönnum kleift að útbúa nákvæmasta þrívíða kortið hingað til af Vetrarbrautinni og svara spurningum um uppruna hennar og þróun. Út úr mælingunum koma lykilupplýsingar um fjarlægðir stjarna og eiginleika þeirra.

Gaia mun ennfremur geta fundið allt að tíu þúsund fjarrekistjörnur og hundrað þúsund smástirni og halastjörnur í sólkerfinu okkar. Einnig er búist við að Gaia komi auga á tug þúsundir brúnna dverga og allt að hálfa milljón dulstirna. Sjónaukinn mun einnig sjá ljós frá stjörnum sveigja vegna þyngdarsviðs sólar eins og Almenna afstæðiskenning Alberts Einstein spáir fyrir um og þannig greina uppbyggingu tímarúmsins. Búist er við á starfsárum sínum muni Gaia koma til með að greina um 100.000 sprengistjörnur í fjarlægum vetrarbrautum.

Tekið saman eru meginmarkmið Gaia að:

• Mæla staðsetningar um það bil eins milljarðs stjarna í Vetrarbrautinni okkar og nágrenni hennar

• Gera litrófs- og ljósmælingar af öllum fyrirbærunum

• Mæla eiginhreyfingu (ferðahrað) stjarna í Vetrarbrautinni okkar

• Útbúa þrívítt kort af Vetrarbrautinni

3. Geimskot

Gaia skotið á loft 19. desember 2013

Gaia var skotið á loft kl. 09:12 að íslenskum tíma þann 19. desember 2013 með þriggja þrepa Soyuz ST-B eldflaug og Fregat-MT þrepi frá geimferðamiðstöð Evrópu í Kourou í Frönsku Gvæjönu. Um það bil tíu mínútum síðar var Gaia komin á braut um Jörðina í um 175 km hæð.

Ellefu mínútum eftir komu á braut jörðina var hreyfill Fregat-MT þrepsins ræstur sem ýtti Gaia frá Jörðinni áleiðis til annars Lagrange punkts, L2, sem er um 1,5 milljón km fjær sólu en Jörðin. Ferðalagið þangað tekur um það bil mánuð. Þar fer geimfarið á það sem kallað er Lissajous braut með 180 daga umferðartíma.

Tæpum níutíu mínútum eftir geimskot var sólarhlíf Gaia opnuð en það tók um tíu mínútur.

Gaia verður í beinni línu við sólina og jörðina. Frá þessum punkti er útsýnið út í alheiminn betra en af braut um Jörðu. Væri geimfarið á braut um Jörðu færi það inn og út úr skugga jarðar til skiptis og myndi því kólna og hitna til skiptis sem hefði áhrif á mælingarnar. Þannig má segja að L2 punkturinn sé stöðugri og betri útsýnispallur.

Á leið til L2 punktsins verða öll kerfi og tæki geimfarsins þaulprófuð. Þetta mikilvæga verk mun taka þrjá mánuði til viðbótar eftir að Gaia kemur á áfangastað. Eftir það verður Gaia geimsjónaukinn fyrst tilbúinn fyrir mælingar í fimm ár.

Geimferðinni er stýrt frá European Space Operation Center (ESOC) í Darmstadt í Þýskalandi.

4. Geimsjónaukinn

Gaia geimsjónaukinn í prófun Kourou í Frönsku Gvæjönu þann 10. október 2013. Mynd: ESA-M. Pedoussaut

Gaia geimsjónaukinn skiptist í tvo hluta: Tækjaeiningu sem inniheldur sjónaukana, mælitæki og rafkerfi þeim tengd og þjónustueiningu sem inniheldur allan búnað sem styður við mælitækin, svo sem tölvur, stýriflaugar, sólhlíf, sólarrafhlöður, rafkerfið og fjarskiptabúnað.

Gaia verður alltaf beint frá sólu og eru viðkvæm sjóntækin varin með 10 metra breiðri sólhlíf neðst á þjónustueiningunni, sem opnuð var skömmu eftir að geimfarið kom út í geiminn. Sólhlífin tryggir að sjónaukarnir og myndavélarnar verða við stöðugt hitastig sem er undir –100°C. Þetta tryggir eins nákvæmar mælingar og kostur er.

Sólhlífin gegnir einnig öðru hlutverk: Að framleiða rafmagn sjónaukans. Á hlífinni eru sólarrafhlöður sem sjá geimfarinu fyrir rafmagni.

Gaia verður í sambandi við Jörðina í allt að átta klukkustundir á dag. Á þeim tíma verða skipanir sendar til geimfarsins sem aftur sendir gögn til Jarðar. Þótt geimfarið verði í 1,5 milljón km fjarlægð frá Jörðu verður gagnstreymið milli jarðar og geimfarsins nokkuð mikið eða allt að 7,5 Mbit/sek.

Á fimm árum mun Gaia afla yfir 1 Petabæti af gögnum (1 milljón Gígabæti). Þetta gagnamagn kæmist fyrir á um 200.000 DVD diskum.

4.1 Sjónaukar

Gaia er geimsjónauki, eða öllu heldur tveir geimsjónaukar. Báðir sjónaukarnir samanstanda af tíu speglum af mismunandi stærð og lögun en þeir safna ljósinu, fókusa það og beina í mælitæki sjónaukans.

Hvor sjónauki hefur 0,7 fermetra breiðan safnspegil. Báðir eru rétthyrndir svo unnt væri að nýta plássið í geimfarinu sem best. Þótt speglarnir séu litlir í samanburði við sjónauka á Jörðinni, hefur Gaia það fram yfir þá að vera í geimnum þar sem ókyrrð lofthjúpsins truflar ekki mælingarnar.

Þrír sveigðir speglar og þrír flatir speglar fókusa og brjóta ljósið svo ljósgeislarnir ferðast 35 metra vegalengd áður en þeir ná til nemanna.

Sjónaukarnir beinast hvor í sína áttina en 106,5 gráður skilja á milli þeirra. Geimfarið snýst fjóra hringi á dag svo tiltekið fyrirbæri birtist í sjónsviði hins sjónaukans 106,5 mínútum eftir að sá fyrri hefur skoðað það.

4.2 Mælitæki

Í Gaia eru sjónaukar með tíu spegla sem fókusa og beina ljósi í þrjú mælitæki:

• Stjarnmælitækið (Astro) ákvarðar mjög nákvæmlega staðsetningu stjarna með birtustig frá 5,7 upp í 20. Endurteknar mælingar á stjörnunum verða gerðar yfir fimm ára tímabil sem gera stjörnufræðingum kleift að mæla hliðrun stjarnanna og þar af leiðandi fjarlægðina til þeirra og eiginhreyfingu þeirra (ferðahraða stjörnunnar yfir himinninn).

• Ljósmælingatækið (BP/RP) mælir litróf stjarnananna sem gerir stjörnufræðingum kleift að finna út ýmsa lykileiginleika þeirra, eins og hitastig, massa, aldur og efnasamsetningu.

• Doppler litrófsriti (Radial Velocity Spectrometer eða RVS) mælir ferðahraða stjarna með því að mæla Dopplerhrif í gleypilínum í litrófum þeirra.

Í sjónaukanum eru 106 CCD myndflögur sem skrá ljósið sem fellur á þá. Saman mynda CCD-flögur Gaia stærstu myndavél sem send hefur verið út í geiminn: Einn milljarð pixla á 0,38 fermetra flatarmáli.

5. Tengt efni

• Stjörnur

• Flokkun stjarna

6. Heimildir

1. ESA Science & Technology: Gaia

2. Liftoff for ESA's Billion-Star Survyeor. ESA.int.

Höfundur: Sævar Helgi Bragason