Рождение космической астрометрии — далеко ли до звезд?

Астрономы древности полагали, что звезды находятся на поверхности небесной сферы, вращающейся вокруг Земли. Два тысячелетия развития науки не прошли даром: плоский небесный свод превратился в объемную, трехмерную Вселенную, эволюция которой во времени и в пространстве стала основным объектом исследования современной астрономии. Но изучать эволюцию Вселенной и, в частности, динамику нашей Галактики невозможно без знания, где расположены и в каком направлении движутся ее многочисленные "кирпичики" — звезды.

Измерением положений звезд занимается позиционная астрономия или астрометрия — самый древний и, тем не менее, один из самых динамично развивающихся разделов астрономии, одним из основоположников которого можно считать величайшего астронома древности Гиппарха. Он составил один из первых каталогов звезд, открыл явление предварения равноденствий и, что может быть важнее всего, высказал идею о необходимости сопоставления старых наблюдений с новыми, чтобы обнаружить малозаметные в течение жизни одного человека изменения положений звезд — их собственные движения.

Относительно недавно, в конце прошлого — в начале нынешнего столетия, астрономы научились измерять расстояния до звезд. При этом непосредственно измеряется не само расстояние, а параллакс — угол, под которым со звезды видна большая полуось орбиты Земли. Зная величину этого угла, при помощи тригонометрических функций легко можно вычислить расстояние до звезды.

Параллаксы нужны не только для того, чтобы изучать трехмерную картину Вселенной. Зная расстояние до звезды и ее видимую звездную величину или блеск, можно вычислить абсолютную звездную величину. А этот параметр чрезвычайно важен, так как он позволяет оценить возраст светила.

Несмотря на то. что история позиционной астрономии насчитывает не одну сотню лет, наши сведения о собственных движениях звезд и, в особенности, о расстояниях до них весьма скудны. Причин тому несколько.

Во-первых, собственные движения и параллаксы столь малы, что для их определения требуются многолетние ряды очень точных измерений. С другой стороны, астрономические наблюдения с поверхности Земли по своей природе имеют ряд естественных ограничений.


Свет от звезд приходит к телескопу через атмосферу, что снижает качество наблюдений из-за рефракции и атмосферной турбуленции. Кроме того, для определения положений звезд на всем небе требуется наличие как минимум двух обсерваторий: одной в северном полушарии, другой — в южном. Телескопы и условия наблюдений в разных обсерваториях неизбежно будут отличаться друг от друга, что приведет к небольшой, но существенной разнице в качестве полученных результатов.

Все эти препятствия казались непреодолимыми вплоть до наступления космической эпохи. Осознав все преимущества астрономических наблюдений из космоса, французский астроном Пьер Лакрут в 1967 году предложил идею космического астрометрического эксперимента.

Проект

Путь от идеи до проекта был непростым — лишь в 1980 году Европейское космическое агентство (ЕКА) приняло к разработке проект "Гиппарх". Название было подобрано таким образом, чтобы с одной стороны — отдать дань уважения древнегреческому ученому, а с другой — передать основную задачу миссии (английская аббревиатура названия расшифровывается примерно как "Спутник для высокоточного определения параллаксов").

Цель проекта, сформулированная Лакрутом, — измерение звездных параллаксов из космоса — была расширена до задачи определения сверхточных положений, собственных движений и параллаксов около 90 тысяч специально отобранных звезд.

Процедура этого отбора заслуживает отдельного разговора. Чтобы достичь совершенно невероятной точности, на которую замахивался проект, необходимо было подготовить предварительный список с координатами опорных звезд — так называемый входной каталог. Для этого был создан специальный научный комитет, который, используя самые мощные компьютеры, проанализировал огромную массу уже имеющихся каталогов и наблюдений. Фактически, входной каталог "Гиппарха" суммировал всю астрометрическую информацию, которая существовала к середине 80-х годов, и его создание само по себе оказалось первым и очень ценным результатом проекта.


Кроме того, программа наблюдений "Гиппарха" была значительно расширена за счет включения в нее самых разнообразных объектов, таких как, например, малые тела Солнечной системы. Предложения о составлении программы работы аппарата поступали от ученых всего мира. Специальный комитет, которым руководил известный голландский астроном Адриан Блаау, после нескольких лет сбора и анализа предложений отобрал примерно 250 отдельных наблюдательных программ, согласно которым предполагалось изучить около 30 тысяч объектов.

В 1984 году в программу "Гиппарха" был включен дополнительный эксперимент "Тихо", который предложил датский астроном Эрик Хег. Этот проект, названный в честь Тихо Браге, очень эффективно использовал побочные измерения, предназначенные для отслеживания ориентации спутника в пространстве. На основе этих измерений должны были быть получены точные положения и яркости одного миллиона звезд до 10-й величины

Научный коллектив, задействованный в подготовке "Гиппарха", соответствовал масштабам проекта: в него вошло около 300 астрономов из более чем 30 институтов и обсерваторий Европы. Технологическую часть проекта обеспечивали крупнейшие аэрокосмические корпорации Европы — "Матра-Маркони" (Франция) и "Алениа Спацио" (Италия). Оптику для телескопа "Гиппарха" изготовила всемирно известная компания "Карл Цейсе".

Отметим и еще один, весьма любопытный организационный момент. Заранее было ясно, что обработка полученных данных будет представлять собой задачу чрезвычайной сложности. В связи с этим руководители программы выбрали весьма мудрую стратегию, организовав два научных комитета, которые должны были обработать наблюдения независимо друг от друга, дабы гарантировать безошибочность окончательных результатов.

Эксперимент

27 ноября 1989 года "Гиппарх" был запушен с помощью ракеты-носителя "Ариан-4" с космодрома Куру во Французской Гвиане. Старт прошел успешно, однако на следующей стадии случилось несчастье — не сработал двигатель, который должен был вывести спутник на геостационарную орбиту, и в результате весь эксперимент оказался под угрозой срыва По первоначальным оценкам, "Гиппарх" мог прожить на орбите не более девяти месяцев и выполнить всего 5—10% намеченной программы.

Специалисты ЕКА и научный комитет "Гиппарха" сделали все возможное, чтобы выполнить задуманное. несмотря на то, что спутник оказался на чрезвычайно невыгодной высокоэллиптической орбите. В кратчайшие сроки была пересмотрена и реорганизована программа наблюдений и .методы их обработки, переписано программное обеспечение, подключены новые наземные центры приема информации-

Благодаря этим титаническим усилиям проект был спасен. За три с половиной года "Гиппарх" получил необходимое число наблюдений каждого намеченного объекта. Однако неудачная орбита, дважды в сутки пересекавшая радиационные пояса Земли, сделала свое дело — к августу 1992 года в строю остались лишь два из пяти гироскопов, поддерживавших ориентацию спутника в пространстве. Но даже после этого специалисты ЕКА смогли продолжить наблюдения, которые прекратились только в августе 1993 года после выхода из строя предпоследнего гироскопа.

Результаты

Основные результаты проекта были представлены в мае этого года на симпозиуме, проходившем в исключительно приподнятой и торжественной атмосфере. В соответствии со значимостью события было выбрано н место проведения собрания — остров Сан-Джорджио близ Венеции. где проводятся самые престижные научные форумы. А поговорить было о чем.


Очевидно, что наиболее важным достижением проекта стал каталог положений, собственных движений, параллаксов и блеска 118 тысяч звезд, точность которых более чем в 100 раз превосходит точность всех предыдущих каталогов. Почти 12 тысяч звезд этого каталога оказались переменными, причем переменность 8200 звезд была открыта только благодаря работе "Гиппарха".

Сопоставление данных спутника с данными других астрометрических каталогов позволило выявить значительные расхождения. По-видимому, они объясняются ошибками, характерными для наземных наблюдений, хотя пока это только предположение. Если этот вывод подтвердится, каталог "Гиппарха" заменит действующий ныне фундаментальный каталог FK5 в качестве стандарта, реализующего небесную систему координат.

Следует отметить и "побочный" продукт деятельности спутника — каталог "Тихо", который содержит информацию о положениях и блеске одного миллиона звезд. Он несколько менее точен, чем каталог "Гиппарха", однако его влияние на современную астрометрию может оказаться не меньшим.

Очень оживленные дискуссии на симпозиуме вызвало сообщение Майкла Фиста (Кейптаунская обсерватория) и Робина Кэтчпоула (Кембридж), которые на основе измеренных "Гиппархом" параллаксов переменных звезд цефеид, используемых обычно в качестве индикаторов космических расстояний, высказали предположение о необходимости пересмотра всей шкалы расстояний во Вселенной (Звездочет, 1997 г., N5, стр. 6). Предложенная Фистом и Кэтчпо-улом шкала как бы отдаляет от нас все звезды и галактики примерно на 10%, одновременно уменьшая возраст самых старых звезд до 11—12 миллиардов лет. Этот результат, если он верен, снимает известное противоречие между возрастом старейших звезд и возрастом Вселенной. Однако метод обработки результатов, примененный Фистом и Кэтчпоулом, вызвал серьезную критику со стороны многих участников форума.

Проведенные "Гиппархом" прямые измерения расстояний до ближайших звездных скоплений, возможно, приведут к необходимости пересмотра взглядов на их эволюцию. Результаты, представленные Жан-Клодом Мермильо (Обсерватория Париж-Медон), оказались весьма неожиданными: самое известное из рассеянных звездных скоплений — Плеяды — находится гораздо ближе к нам, чем считалось раньше, и резко отличается от других рассеянных скоплений, находящихся в пределах 100 парсек от Солнца. Возможно, это означает, что Плеяды принадлежат к особой части Галактики. заметно отличающейся от звезд диска своим химическим составом и находящейся на более ранней стадии эволюции.

Нет сомнений в том, что все вышеперечисленное — пока лишь самые первые итоги космического эксперимента. Ведь со дня окончания обработки наблюдений прошел всего один год, и еще даже не завершена публикация всех каталогов. Осознание результатов и, тем более, их применение потребует нескольких лет, однако, самое главное ясно уже сейчас — "Гиппарх" доказал принципиальную возможность космической астрометрии и ее огромный потенциал.

Выдающийся успех миссии "Гиппарха" вызвал взрыв интереса к исследованиям подобного рода. Следующие проекты, среди которых — европейский "Гайя", американский SIM, а также российский "Ломоносов’' — направлены на решение еще более масштабных задач. Теперь уже речь идет о сотнях миллионов звезд, то есть фактически — о большей части нашей Галактики, и о микросекундных точностях. Однако, сколь дерзки и многообещающи ни были эти проекты, дорогу им всем открыл "Гиппарх" — первый астрометрический эксперимент в космосе.

Что и как измерял "Гиппарх"?

Телескоп "Гиппарха" по современным меркам был достаточно скромным: D=290 мм, F=1400 мм, поле зрения — 0.9°x0.9°. Основная особенность его оптической схемы — два зеркала, находящиеся перед объективом, которые сводят в одно поле зрения два участка неба, отстоящие друг от друга на угол 58°. Именно эта особенность позволила "Гиппарху" измерять большие углы между звездами, необходимые для определения абсолютных параллаксов.

Расстояния до звезд так велики, что параллакс ближайшей из них меньше одной секунды дуги. Параллаксы, которые измерял "Гиппарх", еще меньше — порядка нескольких миллисекунд дуги (0.007"). Под таким углом, например, был бы виден человек на Луне при наблюдениях с Земли.

В процессе измерений спутник вращался вокруг своей оси так, что поле зрения телескопа вычерчивало большой круг или, точнее, полосу вдоль круга на небесной сфере. Сама ось вращения спутника "катилась" по поверхности воображаемого конуса (прецессировала) со скоростью около 6'; в сутки. В результате за 60 суток полосы наблюдений "заметали" всю сферу. Таким образом, за три с половиной года работы "Гиппарха" каждая звезда программы наблюдалась около 100 раз.