Картография по-взрослому

В астрофизике, впрочем, ситуация несколько иная. И пока космические корабли не начнут бороздить просторы Вселенной на бытовом, так сказать, уровне, а профессия астроштурмана не станет массовой, звездные карты будут иметь узко корпоративное значение, оставаясь в сфере интересов профессиональных астрономов и немногочисленных энтузиастов, не занятых ловлей покемонов.

Что же такого интересного могут рассказать пространственные звездные схемы пытливому уму? Оказывается, столь много, что на простое перечисление таких подсказок уйдет не одна страница журнала. Первое, что приходит в голову, – уточнение и максимально возможная детализация структуры прилегающих областей Млечного пути, нашей галактики, занимающей в ряду подобных объектов более чем достойное место. Еще бы: диаметр – 100 тыс. световых лет, число видимых звезд превышает 100 млрд (и неизвестно, сколько скрытых объектов из «темной» материи). Гигантский звездный остров, не уступающий знаменитой Туманности Андромеды, а не какие-то жалкие галактические огрызки типа Магеллановых облаков!

Под уточнением и детализацией подразумевается большой список взаимосвязанных задач, решение которых позволит астрофизикам внести существенные поправки в теоретические модели. Простой пример: один из основных методов измерения расстояний – метод Цефеид, ярких гигантов и сверхгигантов спектральных классов F и G, блеск которых изменяется с амплитудой в 0,5 до 2,0 m и периодом 1–200 суток (в их числе и Полярная звезда). Они относятся к звездам главной последовательности и, как типичные представители семейства, похожи друг на друга и рассыпаны буквально по всему космосу. «Унифицированность» спектральных и яркостных характеристик, указывающая на примерную схожесть масс и возраста, в совокупности с периодическими изменениями блеска сделали цефеиды настоящими «маяками» Вселенной.

Очевидно, что на точность метода, заключающегося в сравнении видимого блеска опорных цефеид и их далеких «близнецов» в других галактиках, опознаваемых по спектру и периодичности, сильно влияет корректность шкалы измерений космической «рулетки». Если расстояние до опорных цефеид определено с большой погрешностью, то для удаленных объектов в других галактиках ошибки растут в геометрической прогрессии, поэтому крайне необходимо откалибровать цефеидный «дальномер», то есть измерить расстояние другим (не фотометрическим) способом. К тому же, согласно свежим данным, полученным с космической обсерватории Spitzer, некоторые цефеиды могут довольно интенсивно терять массу, то есть в процесс фотометрической калибровки могут вмешаться и объективные причины.

 Подходящим помощником для выверки шкалы цефеид может стать хорошо знакомый параллакс, применяемый для сравнительно близких объектов еще со времен Кассини и Гершеля. С выходом телескопов в космос (хотя бы и ближний) и взрывным развитием методов компьютерной обработки данных величина надежно идентифицируемых параллактических смещений уменьшилась почти на порядок, достигнув фантастической одной сотой угловой секунды. Во всяком случае, именно таких результатов добился астрометрический спутник «Гиппарх» (HIPPARCOS, от английского High Precision Parallax Collecting Satellite), разработанный в Европейском космическом агентстве и запущенный на околоземную орбиту в 1989 году. Это намного точнее, чем можно добиться от самых «глазастых» наземных телескопов с многометровыми зеркалами: дело в принципиальных помехах со стороны капризной и неспокойной атмосферы.

В работе над преемником «Гиппарха», глобальным астрометрическим интерферометром, более известным как Gaia (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics; в зависимости от предпочтений в транскрипции читается «Гайя» или «Гея»), приняла участие и Россия, взявшая на себя доставку аппарата с космодрома Куру в точку Лагранжа L2, удаленную от Земли на 1,5 млн км. Средством доставки стал носитель «Союз СТ-Б» и разгонный блок «Фрегат». Миссия стартовала 19 декабря 2013 года и оказалась одной из самых дорогих в истории Европейского космического агентства, «проглотив» около € 800 млн и полтора десятилетия напряженной работы большой команды специалистов. Эрик Хог, астроном из института Нильса Бора, ведущий специалист проектов HIPPARCOS и GAIA, сравнивает их стоимость с ценой строительства Farø Bridges, двухкилометрового моста, соединяющего острова Фальстер и Зеландия в Дании, или знаменитого здания Сиднейской оперы.

Впрочем, основной инструмент миссии, двухкомпонентный телескоп-рефлектор с главными сегментированными силикон-карбидными зеркалами размером 1,5 на 0,5 м, к разряду самых дорогих не относится. Он в несколько раз дешевле того же Hubble или вновь разрабатываемых перспективных JWST или ATLAST: его стоимость составила «всего» € 317 млн. Причина в том, что основной акцент ученые поставили не на совершенстве оптической системы, а на электронной составляющей, включающей в себя и чрезвычайно мощную систему компьютерной интерпретации данных на всех этапах работы. Достаточно сказать, что обработка данных проекта обойдется, как минимум, в € 120 млн.

По оценкам специалистов, объем данных в формате RAW за планируемые пять лет составит свыше 150 терабайт. Их обработкой занимаются кластеры из 120 компьютеров с впечатляющими характеристиками: у каждого по паре 6-ядерных процессоров, 48 Гб оперативной памяти и 9-терабайтные винчестеры. Они рассредоточены по всей Европе и связаны высокоскоростной 40-гигабитной сетью. Работа вычислительной системы с центром в испанском городке Виллафранка дель Кастильо рассчитана на оперативную обработку данных в течение пяти-шести лет миссии и двухгодичную финализацию по калибровке измерений.

А получают их с гигантского ПЗС-сенсора с разрешением свыше 900 (!) мегапикселей, состоящего из 106 отдельных матриц площадью около 30 см² каждая. Для сравнения: у профессиональной камеры Canon EOS 5DS – КМОП-матрица на 51 мегапиксел, у популярной любительской модели Nikon D5500 – всего на 24 мегапикселя (вопрос об особенностях технологий ПЗС и КМОП оставим за скобками). Работа по сборке сенсора выпала на плечи французской компании Astrium, входящей ныне в концерн Airbus.

Первый год работы миссии, с одной стороны, подтвердил корректность фундаментальных подходов, а с другой – потребовал внесения существенных корректив. Основная научная программа стартовала 25 июля 2014 года, после полугодового этапа доводки и отладки функционирования телескопа, например, первый месяц Gaia непрерывно сканировал полярно-эклиптические области, формируя так называемую главную калибровочную базу и уделяя особое внимание молодому шаровому звездному скоплению NGC1818 в Большом Магеллановом Облаке (созвездие Золотая Рыба).

К несчастью, обнаружились некоторые принципиальные сложности, устранить которые практически невозможно. Самой большой проблемой стала паразитная засветка: на сверхчувствительный сенсор откуда-то проникает солнечный свет! Стефан Джордан, сотрудник Астрономического вычислительного института при Гейдельбергском университете (Германия), отметил: «…это солнечный свет, что вообще-то, конечно, удивляет! Ведь аппарат в целях светозащиты инструментов оснащен огромным, диаметром около 10,5 м, раскладным экраном. Правда, в сравнении с нормальным солнечным освещением имеющая место засветка может показаться незначительной, но ведь речь тут идет об очень чувствительных инструментах, поэтому даже такие вроде бы крайне слабые помехи заметно снижают точность измерений».

Что послужило причиной – ошибки проектирования или огрехи монтажа, до сих пор непонятно, но эта досадная неисправность уже поставила под угрозу одну из задач миссии – поиск экзопланет у сравнительно неярких звезд типа нашего Солнца. Проблема усугубляется и переменным характером помехи, вызванной рабочим вращением телескопа. Во всяком случае, специалистам пришлось немало попотеть, чтобы внести в алгоритмы обработки данных нужные изменения. Возникла и еще одна сложность: на прецизионных механизмах телескопа, рассчитанного на работу при температуре –110 °С, периодически намерзала ледяная пленка. Избавиться от нее удалось периодическим прогревом механизмов, смиряясь с риском «теплового шока».

Впрочем, внутренние резервы конструкции и высокая квалификация наземной команды не без оснований позволяют надеяться на выполнение базовой программы миссии. Осенью ЕКА обещает выпустить сборник уже обработанных данных, основанный на анализе 300 млрд астрометрических, 70 млрд яркостных и почти 10 млрд спектральных измерений более чем 2 млн звезд, ранее зафиксированных в каталоге Tycho-2 (результате работы HIPPARCOS). Тимо Прусти, научный руководитель миссии, отметил: «Сейчас уже точно можно сказать, что мы прошли половину пути, а чтобы показать, что аппарат работает исправно, мы периодически будем предоставлять общественности небольшие предварительные данные».

Попутно GAIA обнаружила несколько интереснейших объектов, среди которых – сверхновая Gaia14aaa, удаленная от нас на безумное расстояние в 500 млн световых лет, всего за месяц увеличившая светимость в пять с лишним раз. Оказалось, что этот объект представляет собой так называемую катаклизмическую переменную: двойную систему из обычной звезды и белого «карлика-каннибала», активно втягивающего вещество соседа. При этом в спектре обнаружена гелиевая аномалия, свидетельствующая о сильном выгорании водорода, основного типа звездного топлива.