Галактика на ладони: зачем астрономам крупнейшая трехмерная карта Млечного Пути

Астрономы, работающие с орбитальным телескопом Gaia, опубликовали лучшую трехмерную карту Галактики за всю историю астрономических наблюдений. Она охватывает 1,5 млрд звезд. Правда, это лишь около 1% звездного населения Млечного Пути, но и такие цифры — огромный прорыв по сравнению с существовавшими прежде картами. И есть еще примерно 300 млн звезд, для которых были определены лишь двумерные координаты (положение на небе). Таким образом, полный каталог включает 1,8 млрд светил, и это тоже исторический рекорд. Для многих звезд определено не только положение в трехмерном пространстве, но и скорость и направление движения. Таким образом, астрономы увидели нашу Галактику в развитии: космическая география превратилась в космическую историю. Эти результаты сулят множество открытий, касающихся прошлого и будущего Солнечной системы и Млечного Пути в целом, природы звезд, потенциально обитаемых планет и многого другого.

Власть третьего измерения

Астрономов недаром когда-то именовали звездочетами. Одно из их древнейших и почтеннейших занятий — подсчитывать звезды и определять, какая из них где находится. Но «где на небе» — это еще не «где во Вселенной». Положение звезды на небе — это фактически ответ на вопрос, в какую сторону смотреть, чтобы ее увидеть. Но остается еще вопрос, сколько километров до нее лететь. Только эта информация превращает двумерную карту небесной сферы в трехмерную карту космоса.

Измерять расстояния до звезд и есть основная задача орбитального телескопа Gaia («Гайа»). Это аппарат стоимостью около миллиарда евро, принадлежащий Европейскому космическому агентству (ЕКА). «Гайа» был запущен в 2013 году. Команда проекта уже трижды выпускала релизы данных: в 2016-м, в 2018-м и, наконец, самый полный — в текущем году.

Зачем астрономам понадобилась трехмерная карта Галактики? Главным образом из естественного желания узнать, где что находится. Когда-то путешественники обшаривали земной шар, а теперь астрономы составляют на все более подробные карты Солнечной системы, Млечного Пути и Вселенной в целом. Эпоха великих географических открытий сменилась эпохой великих космографических.

Но это далеко не все. Карты расположения и движения звезд могут ответить на множество интересных вопросов. Например, не собирается ли какое-нибудь светило в обозримое время сблизится с Солнцем. Гравитация гостьи может внести хаос в облако кометных ядер на окраинах Солнечной системы. В результате Земля рискует столкнуться с целой лавиной падающих на нее комет. А между тем падение кометы сопоставимо по масштабу с термоядерной бомбардировкой. Согласно ранним данным Gaia, опубликованным в 2016 году, подобное бедствие грозит нашей планете через 1,3 млн лет. Новые данные могут изменить эту цифру, и пока неизвестно, в какую сторону.

Еще одна интересная область — молодая наука под неофициальным названием «галактическая археология». Звезды не стоят на месте, и многие из них сейчас находятся вовсе не там, где образовались. Но, проследив их нынешнее движение, можно продолжить его в прошлое. А если еще учесть химических состав звезд, можно понять, какие из них образовались в одном скоплении протозвездного вещества. Таким путем восстанавливается облик Галактики миллиарды лет назад. Например, благодаря данным Gaia от 2018 года ученые разыскали звезду, претендующую на звание потерянной сестры Солнца. Авторы исследования считают, что она образовалась одновременно с нашим светилом и очень близко к нему, и только потом улетела на 184 световых года.

Дотянуться до звезд

Есть еще одна причина, по которой астрономам важно знать расстояния до светил. Только так можно вычислить истинную светимость звезды по ее видимому блеску. Например, Полярная звезда — сверхгигант, излучающий почти в 50 раз больше энергии, чем скромный по размерам Сириус. Между тем именно Сириус — ярчайшая звезда ночного неба, просто потому, что он куда ближе к Земле, чем Полярная.

Зачем знать светимость звезды? Например, чтобы понять, может ли та или иная ее планета быть обитаемой или там слишком жарко либо слишком холодно. Но это частности. Из светимости астрономы вытаскивают и радиус звезды, и массу, и другие характеристики, которые чаще всего невозможно определить напрямую. Мы не знали бы о светилах почти ничего, если бы не умели измерять расстояния до них.

Между тем звезды — одни из главных действующих лиц во Вселенной. Именно они создали из первичного водорода и гелия практически все разнообразие химических элементов. Без звезд не существовало бы ни скалистых планет вроде Земли, ни живых организмов: им было бы просто не из чего возникнуть. Не говоря о том, что именно свет солнц обогревает обитаемые планеты. Так что астрономы изучают звезды не только из любопытства, но и, если угодно, из благодарности.

Внеземная геометрия

Как ученые измеряют расстояние до звезд? Есть несколько способов, но самый надежный из них — метод параллакса, о которым мы подробно рассказывали. Вкратце напомним, о чем речь. Из-за движения Земли по орбите направление на звезду (и, значит, ее видимое положение на небе) немного меняется. Измерив угол, на который оно изменилось, и зная радиус земной орбиты (150 млн км), можно вычислить расстояние до звезды. Это геометрическая задачка для школьника.

Чем дальше звезда, тем меньше ее видимое смещение и тем труднее его измерить. Так что предельная длина нашей астрономической рулетки определяется точностью, с которой мы измеряем видимые положения звезд.

Наземным телескопам сильно мешает атмосфера, размывающая изображение. Поэтому с Земли можно измерить расстояния в десятки, изредка — в сотни световых лет. Это лишь крошечная часть Галактики, диаметр которой — 100 000 световых лет.

Напрашивается идея вывести телескоп-картограф за пределы атмосферы, в космос. Именно так ЕКА и поступило в 1989 году, запустив орбитальную обсерваторию Hipparcos. Этот аппарат определил расстояния до 100 000 звезд и положение на небесной сфере примерно 2,5 млн звезд. «Гайя» — инструмент следующего поколения.

Звездный урожай 

Итак, каков же звездный урожай «Гайи»? Положение на небесной сфере — для 1,8 млрд звезд. В том числе для 1,5 млрд — трехмерные координаты и двумерные движения (смещение по небесной сфере). Самые далеких из этих объектов отстоят от Земли на десятки тысяч световых лет, что сопоставимо с размерами Млечного Пути. Кроме того, для 33 млн светил измерено полное движение в трехмерном пространстве. Для 470 млн звезд — температура, возраст, примерный состав и другие параметры. Трудно даже предположить, сколько открытий взойдет на столь щедрой почве.

Например, астрономы уже отыскали в новых данных «Гайи» тысячи звездотрясений. Звезды, как и Землю, иногда охватывает дрожь, причем сотрясения звезд бывают куда масштабнее земных. Астросейсмология приоткрывает завесу над внутренним строением звезд, так же как обычная сейсмология помогает геофизикам заглядывать внутрь Земли. Другое дело, что звездотрясения довольно редко удается наблюдать. Для этого нужен весьма точный инструмент, и «Гайя» как раз из таких.

А еще в поле зрения телескопа попали почти 5 млн галактик и около 160 000 астероидов. Это побочный результат, но от этого не менее ценный.

Заметим, что из ранее опубликованных данных «Гайи» астрономы неоднократно вытаскивали множество «непрофильных» для нее объектов и явлений, от экзопланет в необычных регионах Галактики до чрезвычайно странных сверхновых. Так что уже скоро нас, вероятно, ждет множество интереснейших астрономических новостей.