Gaia-avaruusteleskooppi mittasi Aurinkokunnan kiihtyvyyden

3.12.2020
Gaia-avaruusteleskoopin avulla on selvitetty Aurinkokuntamme kiihtyvyys sen kiertäessä Linnunradan keskustaa. Gaian Aurinkokunnalle mittaama liike suhteessa tähtiin noudattaa 1800-luvun suomalaistähtitieteilijän tulosta.

Suomalaistutkijat ovat mukana massiivisessa hankkeessa, jossa tuotetaan kolmiulotteinen kartta galaksistamme. Kartta valmistuu vuoteen 2024 mennessä. Gaia-avaruusteleskoopin tuottama havaintodata parantaa myös satelliittipaikannusta.

Euroopan avaruusjärjestö ESA julkaisi Gaia-avaruusteleskoopin havaintodataa 3.12.2020 (engl. Gaia Early Data Release 3 eli EDR3). Tämä on jatkoa vuosien 2016 ja 2018 DR1- ja DR2-julkistuksille. Gaia tuottaa tarkkaa tietoa mm. Linnunradan tähdistä, kaukaisista ekstragalaktisista kvasaareista ja Aurinkokuntamme asteroideista. 

Kvasaarit ovat kirkkaita tähtimäisiä kohteita, joiden suuntien avulla pystytään määrittämään esimerkiksi planeetta Maan asento avaruudessa. Gaian mittaamien kvasaarien paikkojen avulla luodaan myös uusi nykyistä tarkempi vertausjärjestelmä, jossa tähtien, Aurinkokunnan kohteiden, mutta myös satelliittien paikat määritetään. 

– Gaian tuottama tieto vaikuttaa tulevaisuuden satelliittipaikannuksen tarkkuuteen. Paikannussatelliittien paikat ja Maan asento avaruudessa määritetään kvasaarien suuntiin kiinnitetyssä vertausjärjestelmässä. Sen tarkkuus ja ajantasaisuus ovat kriittisiä paikannuksen tarkkuudelle, sanoo professori Markku Poutanen Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksesta.

Kvasaarien tarkat havainnot mahdollistivat ensimmäistä kertaa Aurinkokunnan kiihtyvyyden laskemisen.

– Gaian mittaama Aurinkokunnan liikkeen kiihtyvyys Linnunradan keskusta kohti on (2.32±0.16) x 10-10 m/s2 eli likimäärin kaksi sadasmiljardisosaa Maan painovoiman aiheuttamasta kiihtyvyydestä maanpinnalla, kertoo tähtitieteen professori Karri Muinonen Helsingin yliopiston fysiikan osastosta. Hän toimii samalla Paikkatietokeskuksen tutkimusprofessorina.

Gaian avulla tutkitaan Aurinkokunnan asteroideja 

Gaian tietojenkäsittelystä vastaa Euroopan laajuinen verkosto DPAC (Data Processing and Analysis Consortium) yli 300 tutkijan voimin. Helsingin yliopiston Aurinkokunnan tutkijat osallistuvat Gaian tietojenkäsittelyyn monella eri tavalla. 

– Vastaamme Gaian havaitsemien uusien asteroidien päivittäisestä ratalaskennasta. Laskujen perusteella pystytään järjestämään seurantahavaintoja maanpäällisillä teleskoopeilla, Muinonen kertoo.

– Osallistumme asteroidien paikka-, kirkkaus- ja spektrihavaintojen validointiin ennen tietojenjulkistuksia. Havaintodataan perustuvat tutkimuksemme keskittyvät asteroidien ratojen, pyörimisperiodien ja -akseleiden, massojen, muotojen, sekä pintojen rakenteen ja koostumuksen määrittämiseen. Maan lähiavaruuden asteroidien törmäystodennäköisyyksien laskennassa vertausjärjestelmien tarkkuus on täysin olennaista, Muinonen jatkaa. 

Gaia-havaintoja asteroideista julkaistiin DR2-tietojenjulkistuksen yhteydessä keväällä 2018 (14 099 asteroidia). Keväällä 2022 on DR3-julkistuksessa luvassa kymmenkertainen määrä paikka- ja kirkkaushavaintoja sekä ensimmäistä kertaa myös spektrejä.

Monen vuoden työ ja miljardeja tähtiä

Nyt julkaistua EDR3-havaintodataa Gaia on kerännyt vuoden 2014 heinäkuun lopulta lähtien. Aineisto sisältää muun muassa paikka- ja kirkkaustietoa 1,81 miljardista tähdestä ja väritietoa 1,55 miljardista tähdestä 34 kuukauden ajalta. Aineisto yli kolminkertaistaa tarkkojen vertausjärjestelmien eli koordinaatistojen perustana olevien kvasaarien lukumäärän 1,61 miljoonaan.

Kyseessä on sekä lukumäärien että tarkkuuksien kannalta huikea parannus aiempiin julkistuksiin. Uusin havaintodata antaa myös vihjeitä siitä, miten valtaisa aineisto tullaan saamaan kolmannessa tietojenjulkistuksessa keväällä 2022 (DR3) ja lopullisessa tietojenjulkistuksessa (DR4) vuoden 2024 jälkeen.

Gaia havainnoi tähtitaivaan kohteita järjestelmällisesti niin sanotun Lagrangen L2-pisteen läheisyydessä 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta Auringon vastaisessa suunnassa. Gaia havainnoi lähes kahta miljardia Linnunradan tähteä parhaimmillaan asteen sadasmiljoonasosan tarkkuudella. Tuloksena on syntymässä kolmiulotteinen kartta galaksistamme.  

Animaatio näyttää tähtien liikkeen tulevaisuudessa

Gaian tuottamasta datasta on mallinnettu, miten tähdet tulevat liikkumaan Linnunradassa. Tutkijoiden tuottamassa animaatiossa seurataan satunnaisotoksella valittujen 40 000 tähden liikettä taivaalla. Animaatiossa mennään aina 1,6 miljoonaa vuotta tulevaisuuteen.

Animaatio: Tähtien ennustettu matka taivaan halki. (ESA ja Gaia DPAC)

 – Animaatioissa lyhyet ja pitkät viirut kuvaavat paikkamuutoksia 80 000 vuoden aikana. Edelliset liittyvät pääasiassa kaukaisiin tähtiin, jälkimmäiset taasen poikkeuksetta läheisiin tähtiin. Ajoittain lyhyet viirut kasvavat pitkiksi ja pitkät taasen kutistuvat lyhyiksi. Tämä liittyy niin ikään tähtien muuttuviin etäisyyksiin Aurinkokunnasta, toteaa Muinonen.

Animaation lopussa tähdet näyttävät kaikkoavan vasemmalta ja kokoontuvan oikealle. Tämä johtuu Aurinkokunnan liikkeestä suhteessa tähtiin. Vastaava ilmiö voidaan nähdä liikuttaessa metsäisen saarekkeen keskeltä sen reunalle: edessä olevat puut näyttävät harvenevan mutta samalla kasautuvan liikkujan taakse.

– Tämä osoittaa Aurinkokunnan keskimääräisen liikkeen suhteessa ympäröiviin tähtiin. Suomalaisittain on erityisen mielenkiintoista, että liike on sopusoinnussa Friedrich Wilhelm August Argelanderin (1799-1875) uraauurtaville tutkimuksille Aurinkokunnan liikkeestä 1800-luvulla, kertoo Muinonen.

Argelander oli ensimmäinen, joka määritti aurinkokunnan liikkeen suunnan avaruudessa Helsingin yliopiston eli silloisen Keisarillisen Aleksanterin-Yliopiston Observatoriossa. Havainnot hän oli tehnyt vielä Turun observatoriossa meridiaaniympyrällä 1827-1831 ennen observatorion siirtoa Helsinkiin. Helsingissä hän valmisti tähtiluettelon "DLX stellarum fixarum positiones mediae ineunte anno 1830", ja kuten nimikin kertoo, luettelo sisälsi 560 tähden tarkat paikat. 

Valkoisia viivoja mustassa ellipsin muotoisessa ekntässä.

Tähtien ennustettu virta taivaan halki. (ESA/Gaia/DPAC) 

 

Kvasaarien liike on Aurinkokunnan liikettä 

Tarkasti ottaen tähtivirrat sisältävät tiedon sekä tähtien että Aurinkokunnan liikkeestä Linnunradan keskuksen ympäri. Gaian kvasaarihavainnoista päästään kiinni Aurinkokunnan kiihtyvyyteen, joka liittyy tähän rataliikkeeseen.

Gaia on mitannut kaukaisille kvasaareille näennäiset liikkeet taivaalla. Liikkeet ovat äärimmäisen pieniä, karkeasti tuhannesosa 3 000 valovuoden etäisyydellä olevien tähtien liikkeestä. Näennäinen kvasaarivirta vie Linnunradan keskukseen, mihin suuntaan Linnunradan keskusta kiertävä Aurinkokunnan kiihtyvyys siis osoittaa.

Gaia on todellisuudessa mitannut Aurinkokunnan absoluuttisen liikkeen suhteessa kaukaiseen maailmankaikkeuteen. Liike johtuu Linnunradan mutta myös kaikkien muiden maailmankaikkeuden kohteiden aiheuttamista gravitaatiovoimista.

Viivoja ellipsin muotoisessa kentässä

Aurinkokunnan kiihtyvyys paljastuu kaukaisten kvasaarien näennäisenä liikkeenä kohti Linnunradan keskusta.(ESA/Gaia/DPAC)

 

Lue lisää

Gaian EDR3 (3. 12. 2020) tietojenjulkistuksen kotisivu

Gaian aineisto paljasti, että tähtien ratoihin vaikuttaa nyt menossa oleva pienemmän galaksin törmäys Linnunrataan (26. 4. 2018)

Gaia-sa­tel­liit­ti löy­si en­sim­mäi­sen uu­den as­te­roi­din­sa (26.2.2017)

Tu­los­sa on tark­ka kol­miu­lot­tei­nen mai­se­ma Lin­nun­ra­das­ta (7.2.2014)

ESA:n tiedotustilaisuus Gaian ensimmäisestä datajulkaisusta pidettiin syyskuussa 2016

Euroopan avaruusjärjestön ESA:n Gaia-sivut

Argelanderista lisää teoksessa Tähtitieteen vaiheita Helsingin yliopistossa - Observatorio 150 vuotta

Lisätietoja

Professori Karri Muinonen, Helsingin yliopisto ja Maanmittauslaitos, karri.muinonen@helsinki.fi, 050 415 5474, Asteroidien muotojen, pyörimistilojen ja pintojen ominaisuuksien määritys Gaian fotometriasta

Professori Markku Poutanen, Maanmittauslaitos, markku.poutanen@maanmittauslaitos.fi, 040 718 2152, Vertausjärjestelmät 

Dosentti Mikael Granvik, Helsingin yliopisto ja Luulajan teknillinen yliopisto, mikael.granvik@helsinki.fi, 050 521 7209, Asteroidien ratojen ja massojen määritys Gaian astrometriasta

Dosentti Antti Penttilä, Helsingin yliopisto, antti.i.penttila@helsinki.fi, 050 524 0968, Asteroidien koostumusten analyysi Gaian spektroskopiasta

esa-gaia-star-trails-video