טלסקופ החלל גאיה

גאיה הוא המשך ישיר ללוויין היפרכוס, שפעל בין השנים 1989 עד 1993. הטלסקופ הוצע לסוכנות החלל האירופית (איס"א) באוקטובר 1993 על ידי לנרט לינדגרן (מאוניברסיטת לונד שבשוודיה) ומייקל פרימן (מאיס"א) בתגובה לקול קורא למשימות עבור התוכנית המדעית ארוכת-הטווח "הורייזון פלוס" (Horizon Plus). ההצעה התקבלה על ידי הוועידה המדעית של איס"א כמשימה באוקטובר 2000. שלב שני של הפרויקט אושר בפברואר שנת 2006, וחברת אסטריום (Astrium) קיבלה אחריות על החומרה. השם גאיה (GAIA באנגלית) נבחר במקור כראשי תיבות של אינטרפרומטר אסטרומטרי גלובלי לאסטרופיזיקה (באנגלית: Global Astrometric Interferometer for Astrophysics), והעיד על כך שבמקור, המשימה תוכננה לעבוד בטכניקת האינטרפרומטריה. אף על פי שהתכנון השתנה וראשי התיבות כבר לא תקפים, שם המשימה נותר ללא שינוי, כדי לסמל את הזיקה לפרויקט היפרכוס^[7]. עלות המשימה, כולל ייצור הטלסקופ והחללית, עלויות שיגור ותפעול על הקרקע, מוערכת בכ-650 מיליון אירו. עלות המשימה כולה מוערכת בכשני מיליארד אירו^[8].

ב-25 באפריל 2018 פרסמה סוכנות החלל האירופית מיפוי עדכני של שביל החלב והגלקסיות השכנות, הכולל מדידות של כמעט 1.7 מיליארד כוכבים בדיוק גבוה^[9].

מחקר שפורסם ב־22 במרץ 2024 והתבסס על מידע שהושג על ידי טלסקופ החלל גאיה העלה את האפשרות כי שתי קבוצות כוכבים מובחנות בתוך גלקסיית שביל החלב הנקראות שיווה ושאקטי, שנוצרו לפני 12–13 מיליארד שנים, לא נוצרו בתוך הגלקסיה אלא "היגרו" אליה ממקום אחר והשתלבו בה. על פי המחקר, ייתכן שזה קרה בימיה הראשונים של גלקסיית שביל החלב, וייתכן שקבוצות אלה הן חלק מאבני הבניין המוקדמות של הגלקסייה^[10][11].

אחת הדרכים למדידה ישירה של מרחק אל כוכב, ללא הנחות פיזיקליות, היא באמצעות מדידת פרלקסה – שינוי מיקומו על רקע כוכבים רחוקים יותר כתוצאה משינוי מיקום הצופה ביחס לכוכב. לשם כך יש צורך במדידות מיקום מאוד מדויקות של כוכבים על פני השמיים (ראו אסטרומטריה). תצפיות מהקרקע מוגבלות בדיוק מדידת פרלקסה, בעיקר בגלל הפרעות שנגרמות על ידי האטמוספירה, ולכן יש צורך בשיגור טלסקופ לחלל.

תצפית על כמות גדולה של כוכבים יכולה לתת תמונה שלמה יותר של אופן ההתפתחות של כוכבים, ובמיוחד לאפשר הצצה אל השלבים הקצרים בחייהם. מיפוי אוכלוסייה שלמה של כוכבים, ביניהם גם כוכבים חיוורים, תאפשר שרטוט מדויק יותר של פונקציית הבהירות נראית של הכוכבים, מאפיין חשוב בהבנתנו את האופן בו גלקסיות מתפתחות. כמו כן, מיפוי תלת־ממדי של כוכבים והדינמיקה שלהם מכיל מידע לגבי האזורים בהם נוצרו הכוכבים ולכן מספק מידע אודות ההיסטוריה של גלקסיית שביל החלב ותהליך ההתפתחות שלה.

המטרה העיקרית של גאיה תהיה לבנות מפה תלת-ממדית של כמיליארד כוכבים וכן לייצר את הקטלוג הרחב והמדויק אי פעם של תכונות כוכבים בגלקסיית שביל החלב. לשם השוואה, בקטלוג הסופי של לוויין היפרכוס היו כשני מיליון כוכבים, פחות מאחוז מהכמות הצפויה להתקבל מגאיה. על מנת להשלים מטרה זו, גאיה יבצע מדידות של הפרמטרים האסטרומטריים של הכוכב – שניים שמתארים את המיקום הזוויתי שלו על השמיים, שניים עבור התנועה העצמית של הכוכב על השמיים, ואחרון – הפרלקסה של הכוכב, ממנה ניתן יהיה להסיק את המרחק אליו. כמו כן, תימדד המהירות הרדיאלית באמצעות אפקט דופלר, ותוך כך גם ניתן יהיה לאמוד את קצב התפשטות היקום^[12]. במהלך המשימה (המתוכננת לחמש שנים) אמורות להתבצע בממוצע כ-70 תצפיות על כל כוכב מטרה.

לצורך סקירת כמות גדולה של כוכבים, הטלסקופ יצלם חלקים נרחבים של השמיים, וניתן יהיה להשתמש במידע שייאסף למספר מטרות משנה:

• גילוי גופים בתוך מערכת השמש – אסטרואידים, שביטים וכו'
• גילוי עשרות אלפי ננסים חומים וכוכבי לכת מחוץ למערכת השמש
• גילוי סופרנובות ותצפית על מאות אלפי קוואזרים

גאיה שוקל כ-2,030 קילוגרם, מתוכם 710 קילוגרם מטע"ד, 920 פלטפורמת שירות ו-400 קילוגרם דלק^[13]. ממדי החללית הם 4.6X2.3 מטר.

לאחר השיגור פרשה החללית מגן שמש עגול בקוטר של כעשרה מטרים. המגן מצל על הטלסקופ מאור השמש ומגן על המטע"ד מפני התחממות. כמו כן, על המגן הותקנו לוחות סולריים אשר מספקים לחללית אנרגיה. על מנת לשמור על כיוון מדויק, החללית תוכננה ונבנתה עם מעט מאוד חלקים נעים. תת-המערכות המדעיות מורכבות על מבנה סיליקון-פחמן קשיח, אשר מספק מבנה יציב שלא יתרחב או יתכווץ עקב שינויי טמפרטורה.

גאיה נע במסלול ליסאז'ו סביב נקודת לגראנז' השנייה (L2) של כדור הארץ והשמש, הנמצאת במרחק של כ-1.5 מיליון קילומטר מכדור הארץ. היתרונות המרכזיים במיקום זה לעומת מסלול סביב כדור הארץ הם סביבת קרינה נמוכה, יעילות תצפית גבוהה מאוד, מכיוון שהשמש, כדור הארץ והירח נמצאים מאחורי מכשיר שדה הראייה, וכן סביבה תרמית יציבה מאוד, מכיוון שהחללית תמיד מוארת על ידי השמש ולא נעה בין אזורי אור וצל מלא. טלסקופי חלל נוספים המשתמשים במסלול זה הם טלסקופ החלל הרשל וטלסקופ החלל פלאנק, וטלסקופ החלל ג'יימס וב.

תקשורת רדיו מול כדור הארץ נעשית באמצעות תחנות רשת חלל עמוק ESTRACK המתופעלות על ידי מרכז פעולות החלל האירופי (ESOC) של סוכנות החלל האירופית. גאיה שולחת כ-5 מגה ביט לשנייה של נתונים למשך כשמונה שעות בכל יום. האחריות על עיבוד הנתונים, מופקדת על הקונסורציום האירופי, קונסורציום עיבוד וניתוח נתונים (DPAC) של גאיה, והמימון של DPAC, ניתן על ידי 20 המדינות המשתתפות.

גאיה ישתמש בשני טלסקופים הצופים בשני כיוונים שונים, עם זווית רחבה וקבועה ביניהם. לציר הסיבוב של החללית יש נקיפה קלה על פני השמיים, בעוד היא שומרת על זווית קבועה לשמש. כל אחד מהטלסקופים הוא בעל מפתח ראשי בגודל 1.5 על 0.5 מטרים ושטח האיסוף האפקטיבי שמתקבל מאפשר איסוף כמות אור גדולה פי 30 בהשוואה להיפרכוס. שיפור זה מאפשר תצפית על עצמים חיוורים יותר ובפרט גם מספר גדול יותר של כוכבים. במישור המוקד המשותף לשלושת המכשירים המדעיים ימוקמו 106 רכיבי CCD, עם יותר ממיליארד פיקסלים בסך הכול.

המטעד של גאיה, שמשקלו הכולל הוא כ-710 קילוגרם, כולל שלושה מכשירים עיקריים:

1. אסטרו (ASTRO) – מכשיר האסטרומטריה ימדוד במדויק מיקום זוויתי של כוכבים בעלי בהירות נראית 7.5 עד 20. על ידי שילוב המדידות של כל כוכב על פני תקופה של חמש שנים, ניתן יהיה לקבוע את הפרלקסה שלו ולכן את מרחקו ואז גם לתרגם את מהירות תנועתו הזוויתית של על פני השמיים למהירות קווית. מיקומים של כוכבים עד בהירות 10 ימדדו בדיוק של 7 מיליוניות שניית (או מיקרושניות) קשת, בדיוק של 12–24 מיקרושניות עבור כוכבים עד בהירות 15 ובדיוק שינוע בין 100 ל-300 מיקרושניות קשת עבור כוכבים עד בהירות 20, כתלות בצבע הכוכב. כתוצאה מכך, המרחק לכ-20 מיליון כוכבים ימדד בדיוק של כ-1%, ולכ-200 מיליון כוכבים – בדיוק העולה על 10%. מרחקים אל כוכבים במרכז הגלקסיה, המרוחק כ-30,000 שנות אור מהשמש, ימדדו עם שגיאה שלא תעלה על 20%^[14]. בממוצע, דיוק המדידה של גאיה יהיה טוב פי 200 מזה של היפרכוס. כמו כן ניתן יהיה למדוד מהירות משיקית של כ-40 מיליון כוכבים עם שגיאה קטנה מ-0.5 קילומטר לשנייה.
2. מכשיר פוטומטריה (BP/RP) – שמאפשר מדידת התפלגות אור של כוכבים בתחום אורכי הגל 320 עד 1,000 ננומטר. שני הפוטומטרים (אדום וכחול) המרכיבים את המכשיר יאפשרו קביעת תכונות כגון טמפרטורה אפקטיבית, כבידה, מתכתיות והרכב כימי של כוכבים^[7].
3. ספקטרומטר מהירות רדיאלית (RVS) – ישמש למדידת מהירות רדיאלית של עצמים שמימיים על ידי מדידת ספקטרה ברזולוציה גבוהה (R=11500). המהירות הרדיאלית תתקבל ממדידת היסט הדופלר של קווי סידן בתחום אורכי הגל 847–874 ננומטר.

  מדיה וקבצים בנושא טלסקופ החלל גאיה בוויקישיתוף

•   אתר האינטרנט הרשמי של טלסקופ החלל גאיה (באנגלית)

•   טלסקופ החלל גאיה, ברשת החברתית פייסבוק
•   טלסקופ החלל גאיה, ברשת החברתית אקס (טוויטר)
• טלסקופ החלל גאיה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• דף המשימה באתר של סוכנות החלל האירופית
• עדכונים הנוגעים למשימה עבור הקהילה המדעית
• אוניברסיטת תל אביב, ‏מחר תשוגר לחלל החללית גאיה הצפויה לחולל מהפכה בהבנת הגלקסיה, באתר "הידען", 18 בדצמבר 2013
• חדשות nana10, "גאיה" שוגר לחלל: לראשונה יתאפשר למפות את גלקסיית שביל החלב, באתר nana10‏, 19 בדצמבר 2013
• שנון הול, וסיקור נוסף מאת שרה גודרזי, ‏שביל החלב כפי שלא נראה מעולם, במדור סיינטיפיק אמריקן של מכון דוידסון, 12 בפברואר 2017
• אבי בליזובסקי, ‏"הנתונים של גאיה יוכלו לאפשר פריצות דרך באסטרונומיה", באתר "הידען", 25 באפריל 2018
• אבי בליזובסקי, ‏"בזכות "גאיה" אנו יודעים שיש 1.7 מיליארד כוכבים בשביל החלב", באתר "הידען", 5במאי 2018
• המשימה של גאיה: פתרון החידה השמימית באתר אוניברסיטת קיימברידג' (באנגלית)
• משימת האסטרומטריה של גאיה באתר eoPortal (באנגלית)
•   מהפכה אסטרונומית של גאיה, סרטון באתר יוטיוב, 23 באוקטובר 2019 (באנגלית)
•   תצוגת התלת מימד של גאיה על הגלקסיה שלנו, סרטון באתר יוטיוב, 6 בפברואר 2021 (באנגלית)