В пятницу в конце 2018 года высшее руководство миссии НАСА в дальнем космосе собралось на напряженное совещание. Час за часом зонд "Новые горизонты" мчался к месту встречи Нового года с Аррокотом, древней ледяной скалой на краю Солнечной системы. У команды был последний шанс послать инструкции по наведению камер зонда. Успех обеспечил бы наличие в кадре фотографий Аррокота и подсказок, которые он содержал для формирования планет. Неудача означала бы дорогие картины пустой пустоты.
Руководители миссий, собравшиеся в штаб-квартире New Horizons в пригороде Мэриленда, поняли, что у них возникла “огромная проблема”, говорит Марк буи, член команды и планетолог из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере, штат Колорадо. Что-то было не так в изображениях, уже переданных назад. То ли летающий космический корабль, то ли орбитальная скала были крошечным кусочком, затерянным во вселенной, где ничто не прибито гвоздями.
Команда обсуждала, что исправить. Некоторые считали, что Положение зонда, рассчитанное по результатам наземных измерений, было правильным, и в этом случае Аррокот оказался в неожиданном месте. Но Бьюи полагал, что скала находится именно там, где ей и положено быть, и это наводило на мысль, что двигатели чуть-чуть сбили космический корабль с курса.
Бьюи был уверен в этом, потому что следил за положением Аррокота относительно сверхточной карты далеких маяков, называемых квазарами: космических маяков, генерируемых черными дырами в отдаленных центрах галактик. Но карта была в основном непроверенной, только что выпущенной Европейским Космическим Агентством со спутника геи. Он был основой новой небесной системы отсчета, неподвижной воображаемой сетки, по которой движется все остальное, подобно линиям широты и долготы на Земле. И Бьюи ставил пролет Аррокота на эту новую сетку.
В течение последних нескольких десятилетий астрономы основывали свою небесную сетку на радиоизлучениях нескольких тысяч квазаров. Эти радиомаяки не только направляют направление телескопов, но они также являются основой системы отсчета для вращающейся, брыкающейся Земли. Без них GPS-устройства потеряли бы свою точность, и многие сверхточные исследования таких процессов, как тектоника плит и изменение климата, были бы невозможны. Но наблюдения за этими маяками обходятся дорого и опираются на радиотелескопы.
К 2018 году, когда "новые горизонты" приближались к Аррокоту, Гея создала свою собственную версию системы отсчета, основанную на полумиллионе квазаров, видимых в видимых длинах волн, используемых большинством астрономов, а не на радио. Буи убедил команду New Horizons довериться новой структуре. На зонд поступила коррекция, основанная на положениях геи.
Команда сделала все правильно:когда вернулись самые близкие снимки с пролета, Аррокот был идеально обрамлен. “Ничего бы этого не случилось, если бы у нас не было каталога геи, - говорит Бьюи. - Это фундаментальное переосмысление того, как мы занимаемся позиционной астрономией.”
Переписывание продолжается. На следующей неделе, 3 декабря, Гея выпустит вместе с последними данными о миллиардах звезд Млечного Пути свою новейшую систему отсчета, построенную из 1,6 миллиона квазаров, рассеянных по небу. ” Он улучшен, больше, лучше, красивее", - говорит Франсуа Миньяр, астроном из Обсерватории Лазурного Берега во Франции, который возглавляет группу опорных систем геи.
СИСТЕМА ОТСЧЕТА GAIA-это только последнее решение очень, очень старой проблемы. От планет до комет и астероидов большая часть неба дрейфует от ночи к ночи. Изучение этих объектов было бы безнадежным без сравнения их с точками, которые остаются неподвижными.
Поначалу звезды казались надежными ориентирами. Во II веке н. э. Александрийский астроном Птолемей вновь посетил созвездия, которые его предшественник Гиппарх наблюдал около 3 веков назад. Невооруженным глазом Птолемей не мог обнаружить никакого движения среди звезд, которые, как он полагал, были неподвижными точками на сфере, вращающейся вокруг Земли.
Но к 1700-м годам тщательные наблюдения с помощью телескопов доказали, что видимое положение звезд на небе действительно меняется с годами, когда они движутся через космос. В ответ астрономы потратили целые жизни на создание каталогов звезд, достаточно далеких или достаточно медленных, чтобы оставаться неподвижными.
Игра снова изменилась, когда астрономы начали наблюдать квазары в 1970-х годах, используя радио-тарелки на разных континентах, чтобы сделать сверхточные измерения их положения. Подобно звездам, квазары кажутся точками света. Но они находятся в миллиардах световых лет от нас, так что едва ли сдвинутся с места в течение человеческой жизни. Наконец, далекое небо, а не Земля, было окончательным арбитром того, где находятся вещи.
Сегодня радиоизмерения подпитывают глобальную бюрократию, которая поддерживает систему отсчета, устанавливая порядок в пространстве точно так же, как астрономические обсерватории следили за временем. Многие измерения квазаров точны примерно до ста миллионных долей градуса-меньше, чем кажущийся размер баскетбольного мяча на Луне. Они не только удерживают небо на месте, но и показывают рывки в скорости вращения Земли и колебания ее оси, которые возникают из-за землетрясений и ураганов. Рассчитанные настройки используются в свою очередь для коррекции GPS-устройств, которые в противном случае потеряли бы след вращающейся поверхности Земли.
Растущее число твердых как камень квазаров, теперь уже тысячами, также изменило межпланетную навигацию. В течение десятилетий НАСА отслеживало свои космические аппараты главным образом путем измерения их скоростей, когда они улетали, что позволило рассчитать их расстояния от Земли. Их положение в других измерениях было лишь приблизительно оценено датчиками космического корабля. Но после пары громких неудач на Марсе в 1999 году агентство добавило еще один метод: оно ищет квазары, которые находятся рядом с текущим местоположением корабля в небе, - привязывая зонд к системе отсчета. По словам Барри Гельдзалера, который недавно ушел в отставку с поста руководителя навигации НАСА, этот подход позволил впоследствии совершить посадку "в яблочко" на Марсе и в других местах. - Мы делаем трудные вещи рутиной и немного скучными.”
Однако для многих космических ученых, работающих за пределами радиоволн, система отсчета, основанная на радио, не так уж полезна. Астрономы потратили десятилетия, пытаясь построить конкурирующие точки отсчета в видимом свете. Но квазары на этих длинах волн кажутся слабыми пятнышками,и оптические телескопы, вглядывающиеся сквозь размытую атмосферу Земли, с трудом могут сравниться по точности с радиоприемниками.
Затем набор данных Gaia 2018 года упал, после того как зонд просканировал все небо с помощью чувствительных космических детекторов. "Девяносто восемь процентов этой работы были уничтожены после выхода Gaia", - говорит Леонид Петров, астроном из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, который проводит радиоквазарные наблюдения для построения систем отсчета. "За 1 день они вошли в историю.”
КОНСЕНСУСНАЯ СЕТКА для космического пространства-третья итерация официальной международной Небесной системы отсчета, поддерживаемой Международным астрономическим союзом (МАС),—по-прежнему опирается на радиоквазары. Но на следующей Генеральной Ассамблее МАС в 2021 году Миньяр говорит, что он планирует предложить многоволновую систему, с оптическими позициями квазаров, перечисленными наряду с радиоволнами.
Крошечные смещения между двумя системами уже видны, но они не являются ошибками. Они отражают астрофизическую реальность-и заманчивую исследовательскую возможность. Квазары питаются газом, вращающимся вокруг сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Когда газ вращается вокруг слива, он выбрасывает яркие струи плазмы почти со скоростью света. Радиотелескопы нацелены на саму черную дыру, в то время как гея улавливает среднее положение между черной дырой и струями. Ни один телескоп не может различить эти места. Но расхождения между радио-и оптическими позициями указывают на эти мелкие детали и предлагают новый способ исследовать физику в центрах галактик.
” Если вы поклонник активных ядер галактик, это прекрасное время для жизни", - говорит Брайан Дорланд, астроном из Военно-Морской обсерватории США. "В последний раз позиционная астрономия была захватывающей, например, вокруг Птолемея. Так ведь?”
В конечном счете данные геи могут даже вернуться в наземные системы определения местоположения, но не раньше, чем начнутся длительные исследования и переговоры, говорит Мануэла Зайц из немецкого геодезического исследовательского института. “Это долгий путь между показом, хорошо, вы можете иметь улучшение, если вы используете его, хорошо, теперь у вас есть продукты, которые действительно последовательны”, - говорит она.
Чтобы оставаться полезной, система геи потребует ухода. Прямо сейчас он имеет твердую власть не только над своими квазарами, но и над более чем 1 миллиардом более близких дрейфующих звезд. Эти звезды, привязанные к сетке на основе квазаров, являются полезными направляющими для космических аппаратов с простыми звездными трекерами или когда квазар не виден в определенной части неба. Но миссия Gaia намерена завершить свое бдение в 2025 году. После этого звезды будут блуждать относительно фоновых квазаров, если только астрономы не отправят повторную миссию для повторного отображения неба.
Тем временем сами квазары будут дрейфовать в Ледниковом пространстве. В конечном счете, говорит Миньяр, высокоточные системы отсчета будущего могут потребовать якоря еще более стабильные, чем квазары: возможно, точки На космическом микроволновом фоне, послесвечение Большого Взрыва, которое находится на самом дальнем наблюдаемом расстоянии в космосе.
Буйе, со своей стороны, планирует использовать систему отсчета геи так долго, как он сможет в своей работе, определяя и изучая крошечные внешние камни Солнечной системы. Данные геи облегчают ему вычисление того, когда и куда идти на Земле, чтобы наблюдать, как звезда мигает, когда удаленный объект пересекает ее—так называемое Событие оккультации, которое полагается на мгновенную подсветку, чтобы выявить детали об объекте.
Он также играет в ту же игру, что и с New Horizons и Arrokoth для Lucy, предстоящей миссии НАСА, которая планирует пролететь мимо пяти небольших астероидов вблизи орбиты Юпитера. Дополнительная точность системы Gaia поможет диспетчерам миссии точно ориентироваться на свои цели. “Они не думают, что им это нужно, но они это делают”, - говорит Бьюи.
