Nyugdíjba vonult a Gaia űrtávcső, ami a magyar csillagászok munkáját is örökre megváltoztatta
Közel kétmilliárd csillag megfigyelésével elkészítette a Tejútrendszer eddigi legpontosabb háromdimenziós térképét, és stabil alapokra helyezte a következő évtizedek csillagászati kutatásait az Európai Űrügynökség (ESA) Gaia űrtávcsöve. Az űreszköz, aminek munkájában magyar csillagászok is részt vesznek, több mint tíz évnyi vizsgálódás után január közepén fejezte be a tudományos adatgyűjtést.
„A Gaia egy európai kezdeményezés volt, amelynek létrejötte hihetetlen anyagi és szellemi erőfeszítéseket igényelt. És Európának meg van a kapacitása, hogy ezt sikerrel véghez vigye” – mondja a Qubitnek Szabados László professor emeritus csillagász, a HUN-REN CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetének kutatója. A szakember, aki megalapozta a Gaia tudományos kollaborációban történő magyar részvételt, az űrtávcső eredményeit elképesztőnek nevezi, de arra is felhívja a figyelmet, hogy a mérési adatok feldolgozása évekig folyik még.
A Qubit nemrég Szabadossal, valamint az intézet tudományos főmunkatársával, Marton Gáborral és tudományos munkatársával, Nagy Zsófiával beszélgetett az űrtávcső jelentőségéről és a vele folytatott kutatásaikról. Ebből az a kép rajzolódik ki, hogy a Gaia más, nála jóval ismertebb űreszközöknél is gyökeresebben formálta át azt, hogy miként végzik napi munkájukat a csillagászok. „Az ember kinéz egy [érdekes] csillagot, és az első dolog, amit csinál, hogy megy a Gaia adatbázisába, [és megnézi] hogy az milyen messze van” – magyarázza Marton az űrteleszkóp által begyűjtött adatok jelentőségét. A kutatók az űrtávcső felfedezései közül a Tejútrendszer dinamikus történetének feltárását, kóbor fekete lyukak azonosítását, és csillaghalmazok galaxison belüli mozgásának meghatározását emelik ki – utóbbi saját Naprendszerünk és bolygónk történetét is segít megérteni.
A Gaia a 10,5 éven át folytatott tudományos megfigyelései során 142 terabájt adatot gyűjtött össze, amit Nagy szerint a csillagászok közössége évtizedeken át hasznosít majd. Az űreszköz által kimért 3000 milliárd adatpontnak a kutatók szerint nemcsak a száma lenyűgöző, hanem a precizitása is. Szabados ezt azzal érzékelteti, hogy a legfényesebb csillagok esetén a Gaia méréseinek pontossága akkora látószögnek felel meg, mint amekkorának egy, a Hold felszínén elhelyezett 5 forintos érme tűnne a Földről nézve. A 2013-ban fellőtt Gaia ugyanakkor nem a Föld körül kering, hanem a bolygónktól 1,5 millió kilométerre található Lagrange–2 pontból folytatta méréseit, ahonnan a James Webb űrtávcső is vizsgálódik. Az űreszköz eredetileg öt évig gyűjtött volna adatokat, de küldetését évekkel meg lehetett hosszabbítani, egészen 2025 elejéig, amikorra már szinte elfogyott a pozicionáláshoz szükséges hajtóanyaga.
Luxusnak tűnt az űrbeli pozíciómérés, de a Hipparcos megmutatta, hogy mennyire fontos
Az űrkutatás hajnalán a csillagászok elsődleges célja az volt, hogy infravörös, ultraibolya, röntgen- és gamma-tartományban mérő műholdak és űrtávcsövek épüljenek, mivel ezeket a hullámhosszakat részben vagy teljesen elnyeli a Föld légköre. Egy ideig a csillagászok többségének így fölösleges luxusnak tűnt az űrbeli pozíciómérés optikai hullámhosszakon, meséli Szabados. A kutatók egy csoportja azonban kitartó volt, és az ESA 1980-ban jóváhagyta egy asztrometriai műhold indítását, azzal a céllal, hogy segítsen megérteni csillagok fizikai jellemzőit és a Tejútrendszer szerkezetét. 1989 nyarán fel is lőtték a Gaia elődjének tekinthető űreszközt, a Hipparcost.
Egyáltalán az, hogy a Hipparcos létrejöhetett, és lett asztrometriai műhold, már áttörés volt, mondja Szabados. A csillagászatban, teszi hozzá, minden az asztrometrián nyugszik, és maga az asztronómia tudományága is azzal kezdődött, hogy csillagok és bolygók helyét mérték az égen. Amikor a Hipparcos méréseit sikerült feldolgozni, rögtön látszott, hogy mennyi alapvető információt ad a csillagászatnak. „Akkor már a csillagászok többsége is kiállt amellett, hogy igen, az űrből végzett asztrometriának van értelme, sőt annak van igazán értelme” – mondja, mivel a mérőeszköz világűrbe helyezésével többek közt kiküszöbölik a légkör zavaró hatását.
„Ahhoz, hogy tudjuk, hogy mekkora az a csillag, milyen jellemzői vannak, tudnunk kell a távolságát” – mondja Szabados, mivel az nem derül ki abból, hogy milyen fényesnek látjuk a csillagot. A Hipparcos, valamint a Gaia az úgynevezett parallaxis módszerrel végezte el a távolságmérést – ezt használja ki az agyunk is, ha az általunk látott tárgyak vagy emberek távolságát kell meghatároznia. A csillagászati távolságmérési módszerek közül, amiket tavaly Szabó Róbert, a Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet vezetőjének segítségével tekintettünk át, a parallaxis módszer az egyetlen, aminél nincs szükség kiegészítő feltevésekre. A Gaia nemcsak pozíciót és távolságot, hanem egy égitest mozgását is képes mérni, mondja Marton, amivel végigkövethető csillaghalmazok tejútrendszerbeli utazása és csillagok halmazokon belüli mozgása, ami fontos információkkal szolgál a kutatóknak.
Szabados a Hipparcos programba egy, még az 1980-as években beadott pályázatával került be, amit annak ellenére fogadtak be, hogy Magyarország akkor még az ESA tagság kapujában sem volt (az űrügynökséghez 2015-ben csatlakoztunk). „Egyszerűen a szakmai színvonalat nézték, és nem azt, hogy honnan jön a pályázat” – mondja. A kutató a legmegbízhatóbb csillagászati távolságjelzőket, a cefeida típusú változócsillagokat kívánta megfigyelni, hogy a parallaxison alapuló távolságméréssel kalibrálni tudja a cefeidák fényességváltozási periódusa és az abszolút fényességük közti összefüggést. A műhold el is végezte a méréseket, és Szabados meg tudta állapítani, hogy ha egy cefeidának kísérőcsillaga van, akkor kevésbé lesz megbízható távolságjelző. „Amikor a Hipparcosnak vége volt, onnan már egyenes út vezetett a Gaiához, és én kezdettől fogva részt vettem benne” – mondja, és egy kis létszámú kutatócsoportot is létrehozott a programban történő közreműködésre.
Bár a Hipparcos egyértelműen kijelölte a Gaia felé vezető utat, az űreszköz megszületése nem ment könnyen. A mérnökök először azt a feladatot kapták, hogy fejlesszenek ki egy optikai hullámhosszon mérő úgynevezett interferométert, ami a Hipparcosnál sokkal precízebb mérésekre lett volna képes. De egy-két évnyi erőfeszítés után, mondja Szabados, kiderült, hogy ez a rendelkezésre álló idő alatt lehetetlen. A Gaia így végül a méréseihez nem interferométert használt, hanem a Hipparcos által is használt módszer továbbfejlesztett változatát: a távcső két, nagyon eltérő irányba néző tükrével, különböző nézőpontokból gyűjtötte be a fényt, majd ezeket egyetlen rácsra vetítette, ahol azt az összességében gigapixeles felbontású képalkotók feldolgozták.
Eruptív fiatal csillagokat kerestek a Gaiával
Azon túl, hogy meghatározta pozíciójukat, távolságukat és mozgásukat, a Gaia a csillagok fényességváltozását is mérte, ezáltal lehetővé téve Nagynak, hogy úgynevezett eruptív fiatal csillagokat keressen az űrtávcső adataiból összeállított fénygörbéken. De milyen égitestek ezek? A csillagok molekulafelhőkben keletkeznek, amelyekben gravitációs instabilitások hatására sűrűsödések alakulnak ki. Ahogy ezek egyre nagyobb tömegűek lesznek, megindul egy tömegbefogásnak vagy akkréciónak nevezett folyamat, és a születőben lévő csillag egyre több gázt kebelez be környezetéből. A kutatók sejtése, mondja Nagy, hogy ez az akkréció nem egyenletes, hanem epizodikus, vagyis vannak időszakok, amikor nagyon meglendül, ami a keletkező csillag felfényesedésével jár. Ez Marton szerint a bolygókeletkezést is befolyásolhatja és a „hóhatár” csillagtól távolabb tolásával kémiai átrendeződéseket indíthat be az azt körülvevő protoplanetáris korongban.
Az eruptív fiatal csillagok megfigyeléséhez nem kell a Gaia kb. kétévenkénti nagy adatközléseire várni. Az év elejéig működő Gaia Science Alerts riasztások, amelyek kifejlesztésében Marton is részt vett, ugyanis szinte azonnal jelezték a csillagászoknak, ha egy égitest fényessége rövid időn belül hirtelen megváltozik. Ezután Nagynak és kollégáinak meg kellett határozni, hogy valóban fiatal csillagról van-e szó, amiben segítettek a fiatal csillagok olyan katalógusai, amelyek létrehozásában Marton is szerepet játszott. A következő lépés az eruptív csillagjelölt spektroszkópiai vizsgálata volt földi optikai és közeli infravörös távcsövek segítségével, ami elárulta, hogy tényleg az akkréció fokozódása vagy lelassulása áll-e a fényességváltozás hátterében. Arra, hogy sikerrel pályázzanak észlelési időre ilyen földi távcsöveken, Nagy szerint 50 százalék az esély, de mivel sokszor próbálkoznak, már több tucat ilyen megfigyelést tudtak elvégezni. A spektroszkópiai mérésekből néha az is kiderülhet, hogy más oka van a fényességváltozásnak, például egy társcsillag jelenléte.
Az eruptív fiatal csillagok fényességváltozása néhány magnitúdónyi lehet. A könnyebben tanulmányozható változatuk az EX Lupi típusú csillagok, amik 2-3 magnitúdót fényesednek, és fél-egy évig maradnak ebben az állapotban, mondja Nagy, majd néhány évente megismétlik a felfényesedést. Vannak továbbá az FU Orionis típusú csillagok, amiknek fényessége 4-5 magnitúdóval is növekedhet, és ez az állapot nagyon sokáig, akár évszázadokig kitarthat. „Még nem ismerünk olyan FU Orionis típusú csillagot, ami visszatért volna a kitörés előtti fényességéhez” – mondja. A csillagász kollégáival 2023-ban azonosított egy FU Orionis csillagot, a Gaia21elv jelűt, aminél a Gaia több mint egy magnitúdós fényességcsökkenést érzékelt. Az adatok modellezésével viszont kiderült, hogy a csillag még nincs halványodásának utolsó szakaszában. „Továbbra is keresünk hasonló objektumokat, amik valószínűleg FU Orionis típusú csillagok és halványodnak” – mondja, és ehhez többek közt a Mátrában található Piszkéstetői Obszervatóriumból is végeznek megfigyeléseket.
Adja magát, hogy gépi tanulási algoritmusokat eresszünk az adatokra
Míg a négy évig működő Hipparcos 118 ezer objektumot figyelt meg, a több mint 10 évig mérő Gaia 1,8 milliárdot, ami négy nagyságrenddel több. Ez részben az utóbbi magasabb érzékenységének köszönhető, amivel a Hipparcosnál 9 magnitúdóval halványabb, 21 magnitúdós objektumokat is meg tudott pillantani az égbolton. Így nem csoda, hogy a Gaia rengeteg adatot generált, amit a szakembereknek egy több részre osztott, kolosszális adatbázisban kell tárolni. „Természetesen ez már a big data korszak” – mondja Marton, amitől nem választható el a mesterséges intelligencia (AI) sem. A gépi tanulást már az 1990-es évek óta használják a csillagászatban, kezdetben leginkább galaxisok osztályozására vagy vöröseltolódásuk meghatározására.
A magyar szakemberek a változócsillagokat feldolgozó Gaia-csoportban működnek közre, így nem 1,8 milliárd, hanem néhány százmillió, jelentős fényességváltozást mutató csillaggal dolgoznak. Ilyeneket, mondja Marton, hagyományos algoritmusokkal is lehet keresni, amelyek megnézik, hogy mennyi a csillag átlagfényessége és mekkora a szórása ennek a fényességnek. A változócsillagok nagyon sokféleképpen tudják változtatni fényességüket, és tulajdonságaik nagy részét meg lehet határozni a fénygörbéből. De „ha már egyszer van nagyon sok paraméterünk, meg nagyon sok objektumunk” akkor a kutató szerint „adja magát, hogy ezekkel a gépi tanulási módszerekkel is megpróbáljuk” őket megvizsgálni.
És így is tettek. A 2022-es DR3 adatközlésnél már egy 10 ezer ismert fiatal csillagból álló tanítómintát használtak a kutatók, ami alapján gépi tanulási algoritmusok változócsillagokat osztályoztak. „A Gaián belül mi vagyunk felelősek a fiatal csillagok klasszifikációjának validálásáért” – mondja Marton, vagyis ők ellenőrzik egyéb Gaia-adatok felhasználásával, hogy a gépi tanulási algoritmussal készült katalógusban tényleg fiatal csillagok vannak-e. Marton még 2010 körül doktoranduszként azzal foglalkozott, hogy gépi tanulási algoritmusokkal megpróbálja elkülöníteni az infravörös megfigyelésekben a fiatal csillagokat a távoli galaxisoktól, amik ebben a tartományban ugyanúgy kissé elmosódottak és fényesek.
De mekkora potenciált látnak a kutatók az olyan közismert AI-eszközökben, mint a ChatGPT? Marton, aki a HUN-REN-en belül a CSFK AI-nagykövete, úgy látja, jelenleg a tudományban a generatív AI inkább kiegészítő eszköz. Segít az angol szakcikkeik nyelvezetének finomításában, vagy a kódolásban például a debuggolási folyamat során. „Ha eljut oda, hogy tényleg már valamennyire fizikai modellek lesznek benne, és mondjuk egy szimulált adathalmazt tudunk velük létrehozni, akkor az úgy tud segítség lenni” – tette hozzá. Bár a nagy nyelvi modellek ilyen képességekkel még nem rendelkeznek, specializált mélytanulási modellek, például a PINN-ek (Physics Informed Neural Network) már igen, és ezeket mérnökök már használják is, például versenyautók aerodinamikai fejlesztéséhez.
Két adatközlés jön még, amik tartogathatnak meglepetéseket
Bár a Gaia mérési programja véget ért, az adatok feldolgozásának nagy része még várat magára. A következő adatkibocsátás, a DR4 jövőre várható, ahol már az egyes objektumokra vonatkozó Gaia-adatok is rendkívül pontosak lesznek. A végleges, DR5 adatkibocsátás pedig 2030-ban érkezhet – az, hogy akkor még a magyar kutatók részt tudnak-e venni a Gaia kollaborációban, Marton szerint nagyban függ pályázati forrásoktól is.
A 2026-ban publikálásra kerülő DR4 adatokon Marton szerint jól lehet majd felügyelet nélküli gépi tanuló algoritmusokat futtatni, amik előfeltételezés nélkül csoportosítanak objektumokat. „Ez egy kiváló lehetőség arra, hogy olyat találjunk, amilyet eddig még nem láttunk” – mondta a csillagász. A 2030-as DR5 adatközlés elsősorban a hosszú időtávú adatsorok miatt ígéretes a kutatóknak. Ezek Marton szerint lehetővé tehetik, hogy bepillantsunk születőben lévő bolygórendszerek drámai pillanataiba, amikhez hasonlók saját Naprendszerünk hajnalán is lejátszódtak, például a Holdunk létrejöttéhez vezető ütközés során.
Az európai kutatók időközben már tervezik a Gaia utódját, a GaiaNIR-t, amely közeli infravörös tartományban folytatna méréseket, amivel a Gaiánál számottevően több csillagot tudna feltérképezni. Az infravörös tartomány alkalmasabb lenne a fiatal csillagok megfigyeléséhez, amelyeket optikai tartományban sokáig eltakar molekulafelhőjük, és a Tejútrendszer belsejének vizsgálatához. „Ha igazán meg akarjuk ismerni a Tejútrendszert, akkor hosszabb hullámhosszokon, ahol a csillagközi fényelnyelés kisebb vagy elhanyagolható, vagy szinte nincs is, azt közeli infravörösben vagy infravörösben kell elvégezni” – mondja Szabados, amivel jobban megérthetővé válna a galaxis központi régiója, ahol a Sagittarius A* szupernehéz fekete lyuk is található.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten:
