Kartograph der Milchstraße

Es sind beeindruckende Zahlen: Von über einer Milliarde Sternen in unserer Milchstraße soll Gaia die genauen Positionen, Helligkeiten und Farben messen. Dabei erfasst das europäische Weltraum-Observatorium noch Himmelsobjekte, die eine Million Mal schwächer leuchten als die schwächsten mit bloßen Augen am Firmament erkennbaren Sterne. Und das Ganze nicht nur einmal, sondern gleich 70-mal im Laufe der geplanten Lebensdauer der Mission von fünf Jahren. Damit nicht genug, hoffen die Himmelsforscher außerdem auf die Entdeckung zahlloser neuer Himmelsobjekte: bis zu einer Million Asteroiden und Kometen, 30.000 Planeten bei anderen Sternen, 20.000 Supernovae und Hunderttausende von Quasaren.

„Die Anzahl der wissenschaftlichen Fragen, denen wir mit diesen Daten nachgehen können, ist immens“, sagt Anthony Brown von der Sternwarte Leiden in den Niederlanden, ein Mitglied des Gaia Science Teams. „Gaia wird mit Sicherheit unser Bild der Milchstraße revolutionieren. Darüber hinaus enthüllt eine derart umfangreiche Durchmusterung des Himmels stets viele überraschende Phänomene, die das Universum bislang vor uns verborgen hat.“ Am 19. Dezember soll die kosmische Wundermaschine mit einer russischen Sojus-Fregat-Trägerrakete vom Weltraumbahnhof der europäischen Weltraumbehörde Esa in Französisch-Guayana ins All starten.

Etwa eine halbe Milliarde Euro kostet die anspruchsvolle Mission. Mit zwei jeweils 145 Zentimeter langen und 45 Zentimeter breiten Spiegeln beobachtet Gaia gleichzeitig zwei am Himmel weit auseinanderliegende Regionen, die jeweils etwa die vierfache Fläche der Vollmondscheibe überdecken. Die simultane Verwendung von zwei Spiegeln mit unterschiedlichen Blickrichtungen ermöglicht den Forschern, die Winkelabstände zwischen weit auseinander liegenden Himmelsobjekten direkt zu bestimmen. Das ist sehr viel genauer, als solche Distanzen über die Aneinanderreihung vieler kleiner Winkelabstände zu ermitteln.

Gaia wartet mit noch einem weiteren Superlativ auf: Mit insgesamt 930 Megapixeln, verteilt auf 106 CCD-Sensoren, ist das Instrument die bislang größte Digitalkamera im Weltall. Ein Hauptfeld von 61 CCDs erfasst die Positionen der Sterne mit einer Genauigkeit, die bei helleren Sternen etwa dem Durchmesser einer Euromünze in der Entfernung des Mondes entspricht. Mehrere separate Reihen von CCD-Sensoren registrieren parallel dazu die Helligkeiten, die Farben und die Spektren der Sterne. „Die Genauigkeit und Empfindlichkeit von Gaia erlaubt es uns, von der Nachbarschaft unserer Sonne durch die gesamte Scheibe der Milchstraße hindurch, in der galaktischen Zentralregion und auch weit draußen im galaktischen Halo Sterne zu beobachten, ihre Positionen und Geschwindigkeiten zu messen“, erläutert Esa-Forscher Jos de Bruijne die Reichweite des Instruments.

Nicht nur die gegenwärtige Struktur der Milchstraße soll Gaia kartographieren. Die Messung der Sternenbewegungen gibt darüber hinaus Auskunft über die künftige Entwicklung der Milchstraße – und über ihre Entstehungsgeschichte. So ermöglichen die Gaia-Daten beispielsweise, Sterne zu identifizieren, die sich gemeinsam bewegen. Solche Sternströme sind Überreste kleinerer Galaxien, die unsere Milchstraße vor langer Zeit geschluckt hat.

Gaia soll nicht die Erde umkreisen, sondern am so genannten Lagrange-Punkt L2 stationiert werden und gemeinsam mit der Erde die Sonne umrunden. An diesem auf der sonnenabgewandten Seite 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernten Ort gleichen sich die Anziehungskräfte von Erde und Sonne einerseits, sowie die Fliehkraft der Umlaufbahn andererseits gerade so aus, dass eine – bis auf gelegentliche Bahnkorrekturen – antriebslose Begleitung der Erde auf ihrem Orbit möglich ist. Und Sonne, Erde und Mond befinden sich weit entfernt „im Rücken“ des Teleskops, so dass diese hellen Objekte bei den empfindlichen Beobachtungen nicht stören.

Die Datenmengen, die bei all diesen Messungen insgesamt anfallen, sind enorm: Die Forscher rechnen mit einer Millon Gigabyte, das entspricht der Speicherkapazität von 200.000 DVDs. Doch zunächst einmal muss Gaia ins Weltall. In den vergangenen Wochen haben sich auf Grund technischer Probleme immer wieder Verschiebungen des Starttermins ergeben. Denn natürlich wollen die Wissenschaftler sicher sein, dass das anspruchsvolle Instrument wie geplant funktioniert. Es wäre verhängnisvoll, wenn der Ausfall eines kleinen Bauteils zu einem vorzeitigen Ende der Mission führt – und dadurch weiße Flecken auf der Karte unserer Milchstraße übrig bleiben.


Vorgänger Hipparcos

Gaia ist nicht der erste Kartograph im Weltall. Vor 20 Jahren lieferte der ebenfalls europäische Satellit Hipparcos erstmals ein detailliertes Bild unserer kosmischen Umgebung. Für die Astronomen war bereits diese Mission ein großer Fortschritt. So lieferten die genauen Positionsmessungen den Forschern bessere Bezugspunkte für die Untersuchung von Bewegungen am Himmel. Und die von Hipparcos gemessenen genauen Entfernungen ermöglichten es, auch die Größe und die Leuchtkraft von Sternen exakter als je zuvor zu bestimmen und so die physikalischen Modelle ihrer Entwicklung zu verbessern. Gaia übertrifft Hipparcos um ein Vielfaches: Das neue Teleskop beobachtet 1000-mal mehr Sterne mit 200-mal höherer Genauigkeit. Entsprechend hoch sind die Erwartungen der Astronomen.

Bildquelle: ESA/ATG medialab/ESO/S. Brunier