by Innspace teamChociaż najbardziej znanymi kosmicznymi obserwatorami są ogromne przedsięwzięcia, teleskopy Hubble’a czy Jamesa Webba umożliwiające stworzenie przepięknych i działających na wyobraźnie wizualizacji mgławic i galaktyk, mniejsze urządzenia obserwujące nasze najbliższe otoczenie też mają swoją rolę w poznaniu i wyobrażeniu wszechświata. 13 czerwca 2022 Europejska Agencja Kosmiczna udostępniła trzeci zbiór danych uzyskanych podczas trwającej od 2013 misji Gaia. To wydarzenie ekscytujące badaczy kosmosu na całym świecie, nazywają je nadejściem nowej ery spektralnej analizy ciał niebieskich. Skąd się wzięła ta ogromna tabela liczb w kolumnach o enigmatycznie brzmiących tytułach i jak pomoże nam dowiedzieć się więcej o naszej galaktyce, Drodze Mlecznej?
Galaktyki i założenia misji badawczej
Galaktyka to zbiór gwiazd, pyłu, gazu i ciemnej materii związanej grawitacyjnie. Badanie galaktyki, w której się znajdujemy to pod wieloma względami dużo trudniejsze zadanie niż obserwacja struktur gwiezdnych, które obserwujemy z boku jako całość. Misja Gaia zakłada zbadanie (dokonanie pomiarów m.in. fotometrycznych, pozycji, sygnału radiowego) jednego miliarda z estymowanych stu miliardów gwiazd należących do Drogi Mlecznej. Pomiary te, powtarzane kilkukrotnie w interwałach czasu, doprowadzą do uzyskania kolejnych danych – o kosmicznych prędkościach i pozwolą na stworzenie największej i najdokładniejszej dotychczas trójwymiarowej mapy strukturalnej naszej galaktyki.
Ponadto Droga Mleczna dzieli się na regiony, różniące się między innymi orbitami i składem chemicznym gwiazd – naukowcy (np. z międzynarodowego Instytutu Maxa Plancka) liczą na to, że dane dostarczone przez instrumenty Gai posłużą do sprawdzenia i ulepszenia istniejących modeli matematycznych do klasyfikacji/klasteryzacji podobnych gwiazd.
Obserwatorium Gaia - jak zbierane są dane?
Kosmiczne obserwatorium Gaia składa się z trzech modułów – ładunku (ang. payload module), który zawiera instrumenty naukowe i dwóch modułów użytkowych (ang. service module), mechanicznego i elektrycznego. Moduły użytkowe to wszystkie urządzenia niezbędne do pracy statku kosmicznego i wspierające prace instrumentów, np. rozkładana tarcza przeciwsłoneczna, mikro napęd do korekcji pozycji, system zasilania i komunikacji radiowej z Ziemią. Moduł ładunku to to pojedynczy instrument pełniący trzy wspomniane wcześniej funkcję – badania astrometryczne, fotometryczne i spektrometryczne.
W astrometrii mierzone jest 5 parametrów – pozycja gwiazdy (2 kąty), ruch własny (szybkość zmiany pozycji obiektu na niebie, pochodne dwóch pozycji) i paralaksę (różnica pozycji obiektu spowodowana punktem obserwacji).
Fotometria i spektrometria Gai skupia się na badaniu widma ciał niebieskich (w pasmach odpowiednio 320-1000 nm i 847-874 nm). W analizie spektralnej odbierane promieniowanie elektromagnetyczne obiektu rozdzielane jest na poszczególne częstotliwości, długości fal lub energie. Obserwacja widma pozwala na ujawnienie temperatury, masy i składu chemicznego obiektu.
Przetwarzanie danych z kosmosu
Katalog systemów gwiezdnych opublikowany w ramach Gaia Data Release 3 powstaje poprzez połączenie trzech metod: astrometrii, fotometrii i spektrometrii. Odpowiada za niego konsorcjum zrzeszające naukowców z całej Europy, DPAC (Data Processing and Analysis Consortium). Dziewięć mniejszych zespołów pracuje na różnych etapach – przetwarzają sygnał z sondy Gaia każdą z trzech wspomnianych metod, tworzą różnego rodzaju produkty z przetworzonych danych, przeprowadzają symulacje czy dbają o infrastrukturę do sprawnego przesyłu informacji.
W pierwszym etapie dane są dekompresowane, plik z surowymi obserwacjami zajmuje około 70 TB (terabajtów) pamięci. Model astronometryczny używany jest do wyznaczenia kierunku (nieuwzględniającego obrotu), w którym podąża dane źródło (ciało niebieskie np. gwiazda, kwazar, asteroida) na podstawie zebranych parametrów (pozycja, ruch własny, paralaksa) i zmiennych pomocniczych jak dane o położeniu sondy Gaia, dane kalibracyjne urządzeń. W publikacjach badaczy przetwarzających dostarczone odczyty znajdziemy wiele modeli matematycznych, które zarejestrowane informacje zamieniają na wartościowe dane. Już na tym etapie potrzebne jest zastosowanie algorytmów uczenia maszynowego – ogromne ilości pomiarów dzielone są na grupy dotyczące jednego źródła (np. jednej gwiazdy). Dla drugiego udostępnionego zbioru danych misji Gaia było to 52 miliardów obserwacji połączonych w 2583 grupy skojarzonych z danym źródłem. W następnych krokach źródłom nadawane są różne cechy i typy obiektu.
Szczegółowe informacje o matematycznym i fizycznym modelowaniu opartym na danych misji Gaia, użytych algorytmach i metodach przetwarzania informacji, dostępne w opracowaniach opublikowanych przez Astronomy&Astrophysics:
https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2012/02/aa17905-11.pdf
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2018/08/aa32727-18/aa32727-18.html
Rozwój informatyki i przetwarzania ogromnej ilości danych (big data) przyniósł nam doskonałe narzędzia do obserwacji astronomicznych. Z puzzli zarejestrowanych danych o bliższych i dalszych ciałach niebieskich możemy złożyć coraz pełniejszy obraz wszechświata i estymować jak wygląda to, czego nie widzimy. Naukowcy nieustannie pracują nad ulepszeniem i rozszerzeniem algorytmów tworzących wielkie katalogi i mapy naszej galaktyki.