Gaia-avaruusteleskooppi järisyttää asteroiditiedettä

Euroopan avaruusjärjestö ESAn Gaia-luotain on kerännyt havaintodataa lähes kahdesta miljardista tähdestä Linnunrata-galaksissamme jo vuodesta 2014. Massiivisen hankkeen tuloksena syntyy jatkuvasti tarkentuva kolmiulotteinen kartta galaksistamme, jossa on yhteensä arviolta 200 miljardia tähteä. Maanantaina 13. kesäkuuta 2022 ESA julkaisi jälleen (Data Release 3 eli DR3) luotaimen keräämää tietoa. Suomalaiset tutkijat olivat julkistuksessa vahvasti mukana.

Gaian tuottaman aineiston avulla voidaan selvittää esimerkiksi asteroidien ja eksoplaneettojen kiertoratoja ja koostumusta. Sen avulla saadaan tietoa Aurinkokuntamme ja galaksimme muinaishistoriasta ja ennustetaan niiden kehitystä tulevaisuudessa. Tiedot auttavat ymmärtämään paremmin tähtien elinkaarta ja paikkaamme maailmankaikkeudessa.

Hitaasti kuudessa tunnissa akselinsa ympäri pyörivä Gaia-luotain sisältää kaksi optista avaruusteleskooppia, jotka kolmen tiedelaitteen avulla määrittävät tarkasti tähtien sijainnin ja nopeudet sekä jakavat niiden valon spektriksi analysointia varten. Luotain on lähetetty noin 1,5 miljoonan kilometrin päähän Maasta Auringon vastaisessa suunnassa ja se kiertää Aurinkoa yhdessä Maa-planeetan kanssa Aurinko-Maa -järjestelmän niin kutsutun Lagrangen L2-pisteen ympäristössä.

Gaia-hankkeen historian kolmas tiedonjulkistus 13. kesäkuuta 2022 oli tärkeä lähes kaikilla tähtitieteen osa-alueilla. Samanaikaisesti ollaan julkaisemassa ​​noin viisikymmentä tieteellistä artikkelia.

- Käänteentekevää dataa saatiin niin monenlaisista kohteista, että on mahdotonta nostaa yhtä löydöstä ylitse muiden. Suomalaiset tähtitieteilijät voivat havaintojen perusteella tarkentaa käsitystämme niin asteroideista ja eksoplaneetoista kuin Linnunradasta ja sitä ympäröivistä satelliittigalakseistakin. Kun palataan kotiplaneetallemme, Gaia tuottaa äärimmäisen tarkan vertausjärjestelmän päivittäiseen navigointiin ja paikantamiseen, akatemiaprofessori Karri Muinonen Helsingin yliopistosta kertoo.

Julkistuksen luetteloitu uusi data koskee esimerkiksi taivaankappaleiden kemiallista koostumusta, tähtien lämpötiloja, värejä, massoja, kirkkauksia, ikiä ja nopeuksia, joilla tähdet liikkuvat meitä kohti tai meistä poispäin. Uutta tässä datassa ovat myös tähän mennessä suurin Linnunradan kaksoistähtien luettelo, yli 150 000 Aurinkokunnan kohdetta, jotka ovat lähinnä asteroideja mutta myös planeettojen kuita, sekä miljoonat galaksit ja kvasaarit Linnunradan ulkopuolella.

Gaia ja asteroidit

Gaian kolmannessa tiedonjulkistuksessa asteroidien lukumäärä kasvoi kymmenkertaiseksi verrattuna toiseen tiedonjulkistukseen. Tämä tarkoittaa, että myös Gaian havaitsemien asteroidien keskinäisten lähiohitusten lukumäärä kasvaa merkittävästi. Asteroidien keskinäisiä lähiohituksia voidaan käyttää niiden massan määrittämiseen ja odotettavissa on merkittävä lisäys niiden asteroidien lukumäärään, joille voidaan laskea massa Gaian tekemien paikkahavaintojen perusteella erityisesti, kun Gaian havainnot ja muiden teleskooppien havainnot yhdistetään (Kuva 1).

Perinteisessä radanmäärityksessä asteroidit oletetaan pistemäisiksi kohteiksi, eikä niiden kokoa, muotoa, pyörimistä tai pinnan sirontaominaisuuksia oteta laskennassa huomioon. Kolmannen tiedonjulkistuksen tarkkuus on kuitenkin niin suuri, että asteroidin valaistun ja Gaian suuntaan näkyvän alueen keskipisteen (valokeskipiste, vrt. Kuu ja sen vaiheet) ja massakeskipisteen välinen poikkeama on otettava huomioon.

Valo- ja massakeskipisteen välinen poikkeama on todennettu asteroidille (21) Lutetia (Kuva 2). ESA:n Rosetta-avaruusluotain kuvasi Lutetian ohilennollaan 10. heinäkuuta 2010. Rosettan kuvadatan ja maanpäällisten teleskooppihavaintojen perusteella laadittiin aikanaan Lutetialle yksityiskohtainen muoto- ja pyörimismalli. Kun tämä Lutetian fysikaalinen malli otetaan radanmäärityksessä huomioon, systemaattiset virheet poistuvat ja toisin kuin perinteisessä radanmäärityksessä kaikki Gaian havainnot voidaan ottaa mukaan radanmääritykseen. Tarkkuuden johdosta lukuisten asteroidien radanmäärityksessä täytyy ottaa huomioon asteroidien fysikaaliset ominaisuudet joko yksityiskohtaisen fysikaalisen mallin tai kokeellisten virhemallien avulla.

Gaian kolmannessa tiedonjulkistuksessa ovat ensi kertaa mukana kohteiden spektrit. Spektri mittaa kohteen väriä eli kirkkautta eri aallonpituuksilla. Yksi erityisen kiinnostava julkistuksen osa ovat Aurinkokuntamme asteroidien spektrit, joita on mukana uudessa datassa noin 60 000 (Kuva 3). Spektrit tarjoavat tietoa asteroidien koostumuksesta ja sitä kautta myös niiden syntyhistoriasta ja koko Aurinkokunnan evoluutiosta. Aiemmin asteroidispektrejä on ollut mitattuna joillekin tuhansille kohteille.

Gaia ja eksoplaneetat

Gaian odotetaan tuottavan jopa 20 000 uutta jättiläiseksoplaneettojen löytöä. Kyseinen planeetta voidaan löytää tarkkailemalla niiden vetovoiman vaikutusta tähtien liikkeeseen. Satelliitin avulla löydetään tulevina vuosina lähestulkoon jokainen Jupiterin kaltainen eksoplaneetta Aurinkokunnan lähinaapurustossa ja saadaan selville, kuinka yleisiä Aurinkokunnan kaltaiset hierarkiset planeettakunnat ovat.

Ensimmäinen tällä tavalla löydetyistä eksoplaneetoista oli Epsilon Indi A -tähteä kiertävä kaasujättiläinen, joka on meitä lähinnä sijaitseva Jupiterin kaltainen eksoplaneetta. Se sijaitsee vain 12 valovuoden päässä meistä. Nämä ensimmäiset havainnot ovat mahdollisia, koska tähtien mitattu kiihtyvä liike voidaan yhdistää Gaian avulla saatuihin tietoihin liikkeen muutoksesta ja siten määrittää eksoplaneettojen radat ja massat.

Gaia ja galaksit

Gaian kolmannen tiedonjulkistuksen mikrokaarisekunnin resoluutio tarjoaa tarkkoja mittauksia tähtien liikkeistä Linnunrata-galaksissamme mutta myös useissa sitä ympäröivissä satelliittigalakseissa. Tähtien liikkeistä Linnunradassa voimme määrittää oman galaksimme massan, ja satelliittigalaksien ominaisliikkeiden avulla voimme määrittää näiden galaksien radat.

Kun tunnemme massat ja radat, voimme tutkia Linnunrata-galaksijärjestelmän menneisyyttä ja tulevaisuutta. Voimme esimerkiksi selvittää, mitkä meitä ympäröivistä galakseista ovat todellisia satelliitteja ja mitkä niistä ovat vierailemassa galaksijärjestelmässä. Lisäksi voimme tutkia, onko Linnunradan evoluutio sopusoinnussa kosmologisten mallien kanssa ja erityisesti sitä, ovatko satelliittigalaksien radat selitettävissä standardin pimeän aineen mallin avulla.

Gaia ja vertausjärjestelmät

Tähtitieteellistä radioalueella johdettua vertausjärjestelmää nimeltä ICRF3 käytetään esimerkiksi tähtitieteellisten kohteiden ja satelliittien ratojen määritykseen. Järjestelmä perustuu kvasaareihin, kiintopisteisiin, joiden avulla myös Maan tarkka asento avaruudessa voidaan määrittää joka hetki. Ilman tätä tietoa esimerkiksi satelliittipaikannus ei toimisi.

Gaian havaintoaineisto sisältää noin 1,6 miljoonaa kvasaaria, joiden avulla voidaan luoda nykyistä tarkempi vertausjärjestelmä näkyvän valon alueella. Tulevaisuudessa tällä on vaikutusta sekä satelliittipaikannuksen että Maata tutkivien satelliittien mittausten tarkkuuteen.

- Gaian kolmannen tiedonjulkistuksen, kuten myös tulevien tiedonjulkistusten, suuri merkitys on lisääntyneen datan myötä parantuneessa tarkkuudessa, professori Markku Poutanen Maanmittauslaitoksesta kiteyttää.

Tiedotustilaisuuden ohjelma ja tallenteet maanantaina 13. kesäkuuta

• 10.30 Avaus, Gaia-avaruusmissio, Karri Muinonen
• 10.35 Aurinkokunnan pienkappaleet, Mikael Granvik
• 10.45 Keskustelu
• 11.00 ESA:n keskustapahtuman seuraaminen
• 12.00 Lounas
• 1.00 Gaia Data Release 3 highlights, Asteroid characterization from photometry, Karri Muinonen
• 1.20 Asteroid masses from astrometry, Mikael Granvik
• 1.30 Asteroid classifications from spectroscopy, Antti Penttilä
• 1.40 Exoplanets and variable stars, Mikko Tuomi
• 1.50 Galaxies, Till Sawala
• 2.00 Reference frames, Markku Poutanen
• 2.10 Questions and answers, discussion, Anne Virkki (chair)
• 3.00 Tilaisuuden lopetus, Karri Muinonen

Tiedotustilaisuuden tallenteet 

Lisätietoa:

Akatemiaprofessori Karri Muinonen, Helsingin yliopisto, karri.muinonen@helsinki.fi, +358 50 415 5474, Asteroidit

Professori Markku Poutanen, Maanmittauslaitos, Paikkatietokeskus FGI, markku.poutanen@nls.fi, +358 40 7182152, Vertausjärjestelmät

Apulaisprofessori Mikael Granvik, Helsingin yliopisto ja Luulajan teknillinen yliopisto, mikael.granvik@helsinki.fi, +358 50 521 7209, Asteroidit

Dosentti, yliopistotutkija Antti Penttilä, Helsingin yliopisto, antti.i.penttila@helsinki.fi, +358 50 524 0968, Asteroidit

Yliopistotutkija Mikko Tuomi, Helsingin yliopisto, mikko.tuomi@helsinki.fi, +358 40 500 7454, Eksoplaneetat ja muuttuvat tähdet

Dosentti, akatemiatutkija Till Sawala, Helsingin yliopisto, till.sawala@helsinki.fi, +358 440 418000, Galaksit 

Lisätietoa ESAn sivuilta:

Täydellinen yhteenveto tiedonjulkistuksesta Gaia DR3

Gaia DR3 tiedonjulkistuksen mediakooste