Миллиард пикселей для миллиарда звезд

На следующей неделе в космос отправится уникальный телескоп, который сможет «пересчитать» около миллиарда звезд вокруг Земли.



Сколько звезд на небе? Этот вопрос, наверное, волновал человечество с тех времен когда оно научилось считать. Невооруженным глазом с Земли можно увидеть около 5-6 тыс. звезд. Если забраться повыше в горы – то чуть больше. Если взять телескоп, то возможности значительно увеличатся, но предел все равно найдется.

На сегодня каталогизировано около 2,5 млн. звезд. Конечно, это число не соответствует количеству звезд даже в нашем рукаве галактики, что уж там говорить о Вселенной. Об остальных числах мы знаем только в теории, на основе экстраполяции и математических моделей.

В 2000 году Европейское космическое агентство решило подойти к вопросу на современном уровне техники. Эта идея легла в основу научной миссии Gaia, которая потребовала 13 лет на разработку и обошлась более чем 600 млн. евро.




Gaia должна решить несколько научных задач:

1) Определить местоположение одного миллиарда звезд яркостью вплоть до +20-й звездной величины. Эта яркость в 400 тыс. раз слабее чем способен различить человеческий глаз.
2) Определить спектр и провести фотометрию этих звезд. Таким образом получится установить к какому типу звезд относятся наблюдаемые объекты, и, если повезет, найти возле них экзопланеты.
3) Измерить скорость перемещения звезд и крупных галактических структур в нашей «половине» Галактики.
4) Построить трехмерную карту нашей части Галактики.

Телескоп будет запущен в точку L2 системы Солнце-Земля – туда, где сила притяжения Земли и Солнца компенсируется центробежной силой летящего аппарата.



Там он будет двигаться по особой орбите, которую называют «орбитой Лиссажу».



Предполагается, что за время своего пятилетнего функционирования Gaia произведет 70 полных съемок всего небосвода. Это позволит картографировать расположение звезд, определить расстояние до них, оценить направление и скорость их движения. Подобное будет достигнуто при помощи эффекта параллакса.



Телескоп посмотрит на нашу галактику с двух точек, подобно тому как мы смотрим двумя глазами, благодаря чему видим объемное изображение и можем ориентироваться в пространстве. Для Gaia такими «глазами» станет съемка из двух положений, разнесенных на противоположные стороны орбиты.

Космический телескоп Gaia по форме напоминает бочку, размером с автобус, но его конструкция отличается от, к примеру, Hubble, который тоже имеет цилиндрическую форму. Фактически Gaia - это два телескопа, которые смотрят по сторонам под углом 102 градуса, а внутри устроены как перископ. Система зеркал, проецирует свет звезд от двух телескопов на одну фотоматрицу.



Выдающиеся возможности Gaia, во многом объясняются устройством ПЗС-матрицы, которая создает изображения. Этот космический телескоп - самый большой фотоаппарат, за пределами Земли. Его разрешение составляет 938 мегапикселей, а физический размер матрицы: 1 метр на 50 см. Предыдущий рекордсмен - охотник за экзопланетами Kepler имеет разрешение в 95 мегапикселей.

Возможность одновременного приема изображений сразу с двух телескопов, реализована не только за счет размеров матрицы, но и ее строения и программной обработки сигналов. Ученые решили, что тьма, разделяющая звезды, не должна занимать лишнее место на матрице и решили проецировать свет сразу с двух сторон, увеличивая, тем самым, вдвое количество работающих пикселей, на один момент времени.



Чтобы не запутаться в том откуда пришел сигнал, а так же, для реализации других научных целей, ПЗС-матрица разделена на несколько активных участков, у каждого из которых есть своя функция.



За счет вращения телескопа, проецируемое изображение движется слева направо (если смотреть на изображенную схему. На видео - наоборот). Первым делом свет попадает на две полоски элементов (слева светло-синие на схеме), каждая из которых принимает данные от одного телескопа. Благодаря ним и выстраивается звездная карта. В момент фиксации первой планкой фотоэлементов, каждой звезде выделяется собственное «окно» на матрице, которое следует вместе с движением света звезды. Благодаря такой технологии процессор не путает откуда какая звезда светит.

Во время наблюдения звезды на самой широкой главной части матрицы (голубая на схеме) производится фотометрия, т.е. измеряется степень светимости звезды и некоторые внутренние процессы, которые влияют на изменение яркости. Именно в этот момент есть вероятность зафиксировать прохождение планеты: т.н. транзитный метод. Единичного наблюдения будет мало, но когда подведут итоги 70 осмотров, тогда можно будет делать более уверенные выводы.
Предполагается, что Gaia сможет найти более 10 тыс. экзопланет, что примерно в три раза больше чем у Kepler.

Темно-синяя и красная полоски сенсоров произведут спектрометрические исследования на длине волн синего и красного цвета. Так мы узнаем больше о химическом составе звезд, их температуре и возрасте.

Группа сенсоров, обозначенная зеленым, предназначается для исследований методом допплеровской спектроскопии или радиальных скоростей. За счет определения красного смещения, метод позволит определить отклонения звезды, вызванные воздействием планеты, вращающейся на орбите.



Четыре сенсора предназначены для настройки и калибровки телескопа.

Очевидно, что для таких наблюдений требуется высочайшая точность в стабилизации на орбите и в температуре. Оптические сенсоры размещаются на пластине из карбида кремния, который практически не меняет своего объема независимо от нагрева или охлаждения.



Сам телескоп защищается от солнечного света щитом, диаметром 10,5 метра. Это позволит снизить температуру на матрице и зеркалах до -110 градусов Цельсия. Такой холод снижает шумы матрицы, а значит повышает качество получаемых данных.

Gaia ежедневно будет создавать 50 Гб данных, которые будут передаваться со скоростью 10 Мбит/с антенной Х-диапазона.

По результатм этого амбициозного проекта, мы не просто пересчитаем все окрестные звезды, но и сможем, наконец, детально представить, как выглядит галактика Млечный путь и создать ее трехмерную модель.



Полетит Gaia 19 декабря 2013 г. с космодрома Куру во Французской Гвиане, на ракете-носителе «Союз» с разгонным блоком «Фрегат». Ярасскажу как это будет происходить, т.к. у меня появилась возможность оказаться в российском ЦУПе во время запуска.