Nach vier Jahren hat die Europäische Weltraumorganisation ESA kürzlich einen weiteren Katalog mit Daten des Weltraumteleskops Gaia veröffentlicht. Der dritte Datensatz, Gaia DR3, enthält neben mehr als 1,8 Milliarden Sternen auch zahlreiche Galaxien, Quasare und Asteroiden. Bei einigen dieser Objekte wurden erstmals nicht nur Ort und Geschwindigkeit, sondern auch die emittierte Strahlung – das sogenannte Spektrum – in den Katalog aufgenommen. Im Interview mit Welt der Physik berichtet Stefan Jordan von der Universität Heidelberg über die Bedeutung dieser neuen Daten für die Astronomie.
Physics World: Was ist das Hauptziel der Gaia-Mission?
Stefan Jordan: Gaia ist eine europäische Satellitenmission, die darauf abzielt, astronomische Objekte möglichst genau zu kartieren. Gaia liegt am sogenannten L2-Lagrange-Punkt, von der Sonne aus gesehen etwa 1,5 Millionen Kilometer hinter der Erde. Das James-Webb-Weltraumteleskop befindet sich jetzt an diesem sehr beliebten Beobachtungsort für Weltraumteleskope. Gaia hingegen beobachtet nicht einzelne, genau definierte Regionen des Himmels, sondern den gesamten Himmel.
Wie es funktioniert?
Dazu dreht sich Gaia alle sechs Stunden, also viermal am Tag, langsam um die eigene Achse. Außerdem umkreist Gaia zusammen mit der Erde einmal im Jahr die Sonne. Die beiden Hauptspiegel scannen nach und nach den gesamten Himmel und können dank der hochwertigen Kameratechnik an Bord eine Vielzahl von astronomischen Objekten genau vermessen. Aus diesen Daten lassen sich Ort, Bewegung und bei manchen Objekten auch das Spektrum anhand von Größe, Entfernung und Helligkeit bestimmen.
Wie misst Gaia all diese Objekte?
Während der Satellit die Sonne umkreist, ändert sich der Standort von Gaia und verschiebt seine Richtung in Richtung der Sterne der Milchstraße. Aus dieser scheinbaren Richtungsänderung der Sterne, die Parallaxe genannt wird, lässt sich der Abstand zwischen den Sternen bestimmen. Je weiter die Sterne entfernt sind, desto geringer ist der Effekt. Aber Gaia mit seiner stabilen, hochpräzisen Optik und einer eingebauten Atomuhr ist hervorragend darin, die Entfernung zu vielen Sternen in unserer Milchstraße zu bestimmen. Zusammen mit der Beobachtungsrichtung, in der wir Himmelskörper nah genug sehen, können wir die drei Raumkoordinaten angeben.
Und wie lassen sich Geschwindigkeiten von Objekten bestimmen?
Aus Messungen, die wir zu verschiedenen Zeitpunkten machen, kann Gaia die Bewegung der Sterne senkrecht zur Blickrichtung bestimmen. Die Geschwindigkeit eines Sterns auf uns zu oder von uns weg – die Radialgeschwindigkeit – lässt sich mit Hilfe des Dopplereffekts aus der Verschiebung der Spektrallinien nachweisen. Wenn das alles funktioniert, erhalten wir den vollständigen Satz von Positions- und Bewegungskoordinaten eines Objekts. Von insgesamt 33 Millionen Objekten haben wir nun neben dem Ort auch alle drei Komponenten der Raumgeschwindigkeiten. Im bisherigen zweiten Datenkatalog wurden die Radialgeschwindigkeiten von nur sieben Millionen Objekten veröffentlicht. Ebenfalls Teil des neuen Gaia-Katalogs sind jetzt eine Million hochwertiger Spektren, die zur Radialgeschwindigkeitsbestimmung verwendet werden. Diese erlauben auch eine Analyse der chemischen Zusammensetzung der Sternatmosphäre.
Geschwindigkeiten von Sternen in der Milchstraße
Was kann man daraus lernen?
Die Bestimmung dieser fundamentalen Parameter ist die Grundvoraussetzung für die Interpretation fast aller astronomischen Beobachtungen. Aus der Bewegung verschiedener Sterngruppen in der Milchstraße können wir zusammen mit Computersimulationen die Vergangenheit unserer Galaxie untersuchen, als sie zum Beispiel mehrere Zwerggalaxien einschloss. Es gab sogar deutliche Hinweise darauf, dass ein naher Vorbeiflug an dieser Zwerggalaxie vor etwa 4,5 Milliarden Jahren die Entstehung unserer Sonne auslöste. Dies ist nur ein Beispiel. Die für jedermann frei zugänglichen Ergebnisse von Gaia bringen praktisch jeden Bereich der astrophysikalischen Forschung voran. Jeden Tag erscheinen etwa fünf wissenschaftliche Veröffentlichungen auf der Grundlage von Gaia-Daten in verschiedenen Bereichen der Astronomie und Astrophysik. Einige Forschungen verwenden nur einen numerischen Wert, z. B. die Entfernung zu einem Stern, während andere Millionen von Daten verwenden, um neue Entdeckungen zu machen.
Wie wichtig ist dies für aktuelle Entwicklungen in der Astronomie?
Gaia funktioniert unglaublich gut. Nicht nur die große Anzahl der gemessenen Sterne, sondern auch die Qualität der Daten übertrifft alle bisherigen vergleichbaren Sternkataloge. Ein Beispiel für Gaias Präzision und Sehschärfe: Die Kameras konnten eine helle Kerze in 30.000 Kilometer Entfernung sehen. Und wenn sich ein helles Licht auf der Mondoberfläche, das Gaia nicht lokalisieren kann, um vier Zentimeter bewegt, könnte es ebenfalls erkannt werden.
Gab es Probleme während der Mission?
Tatsächlich läuft bei solch komplexen Missionen nicht immer alles wie geplant. Beispielsweise schwingt die Blickrichtung der beiden Gaia-Teleskope stärker als erwartet hin und her. Im Laufe der Jahre wurden die Messinstrumente von Gaia jedoch besser verstanden und viele Effekte können von einer Datenfreigabe zur nächsten kompensiert und die Genauigkeit wieder gesteigert werden.
Was war die größte Überraschung für Sie?
Was mich am meisten überrascht hat, war, dass Gaia-Daten auch für Asteroseismologie verwendet werden können. Dieses relativ neue Forschungsgebiet versucht, die Schwingungen von Sternen zu analysieren, um etwas über die innere Struktur von Sternen zu lernen, ähnlich wie sie durch seismische Messungen auf der Erde etwas über ihr Inneres lernen.
Und welche anderen Himmelsobjekte als Sterne wurden von Gaia gemessen?
Mit Gaia haben wir außerdem die Bahnen von rund 150.000 Asteroiden in unserem Sonnensystem bestimmt. Und für 60.000 Asteroiden hat Gaia hochwertige Spektren aufgenommen. Das ist achtmal mehr als bisher mit bodengestützten Teleskopen erreicht wurde. Aus der Reflektivität von Asteroiden kann man viel über ihre Mineralogie lernen, also ihre Zusammensetzung an der Oberfläche. Darüber hinaus enthält Gaia DR3 große Spezialkataloge zu veränderlichen Sternen, Doppelsternen, Galaxien und Quasaren. Wir können es kaum erwarten zu sehen, was geniale Forscher mit all diesen Daten machen werden. Denn der dritte Gaia-Datensatz ist eine riesige astronomische Schatztruhe, die Wissenschaftler nun nutzen können.