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Neue Veröffentlichung von Gaia offenbart seltene Linsen, Cluster-Kerne und unvorhergesehene wissenschaftliche Erkenntnisse

10/10/2023 573 views 5 likes

Heute gibt die ESA Gaia Mission einen wahren Goldschatz an Wissen über unsere Galaxie und weit darüber hinaus frei. Unter anderem hat der Sternenvermesser die geplanten Erwartungen übertroffen und eine halbe Million neuer und lichtschwacher Sterne in einem massiven Sternhaufen entdeckt, über 380 mögliche kosmische Linsen identifiziert und die Positionen von mehr als 150.000 Asteroiden im Sonnensystem bestimmt.

Gaia kartiert unsere Galaxie und vieles mehr in außergewöhnlicher Detailliertheit in mehreren Dimensionen und erstellt so die genaueste Sternenzählung aller Zeiten. Die Mission vermittelt ein detailliertes Bild, wo im Universum wir uns befinden, und gibt uns die Möglichkeit, die verschiedenen Objekte in diesem Universum besser zu verstehen.

Das "Focused product release" der Mission knüpft daran an und bietet viele neue und verbesserte Einblicke in den Raum um uns herum. Die Datenfreigabe bringt aufregende und unerwartete wissenschaftliche Erkenntnisse, die weit über die ursprünglichen Ziele von Gaia hinausgehen und tief in unsere kosmische Geschichte eindringen.

Was gibt es also Neues von Gaia?

Eine halbe Million neue Sterne: Der Beobachtungsmodus von Gaia wurde erweitert, um Cluster-Kerne zu erschließen

Die dritte Datenveröffentlichung von Gaia (DR3) enthielt Daten zu über 1,8 Milliarden Sternen, die ein ziemlich vollständiges Bild der Milchstraße und darüber hinaus ergeben. Allerdings gab es noch Lücken in unserer Kartierung. Gaia hatte Bereiche des Himmels, die besonders dicht mit Sternen bevölkert waren, noch nicht vollständig erforscht, so dass diese vergleichsweise unerforscht blieben - und man übersah Sterne, die weniger hell leuchteten als ihre vielen Nachbarn.  

Kugelsternhaufen sind ein gutes Beispiel dafür. Diese Haufen gehören zu den ältesten Objekten im Universum. Somit sind sie für Wissenschaftler:innen, die sich mit unserer kosmischen Vergangenheit beschäftigen, besonders wertvoll. Leider können ihre hellen Kerne, vollgestopft mit Sternen, Teleskope beim Versuch, einen klaren Blick zu bekommen, überfordern. Sie bleiben somit fehlende Puzzlestücke in unseren Karten des Universums.

Gaia wählte Omega Centauri aus, den größten von der Erde aus sichtbaren Kugelsternhaufen und ein hervorragendes Beispiel für einen „typischen“ Haufen, um die Lücken in unseren Karten zu schließen. Anstatt sich wie üblich nur auf einzelne Sterne zu konzentrieren, aktivierte Gaia einen speziellen Betriebsmodus, um bei jeder Betrachtung des Haufens einen größeren Bereich des Himmels rund um den Kern des Haufens zu kartieren.

Gaia enthüllt den überfüllten Kern eines massiven Sternhaufens

„Wir haben in Omega Centauri mehr als eine halbe Million neuer Sterne entdeckt, die Gaia zuvor nicht gesehen hatte – und das in nur einem Sternhaufen“, sagt die Hauptautorin Katja Weingrill vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP), Deutschland, und Mitglied der Gaia-Kollaboration.

„Es geht nicht nur darum, Löcher in unserer Kartierung zu füllen, obwohl das an sich schon sinnvoll ist“, fügt Alexey Mints, Mitautor und Mitglied der Gaia-Kollaboration, ebenfalls vom AIP, hinzu. „Mithilfe unserer Daten konnten wir Sterne aufspüren, die zu dicht beieinander liegen, um mit den regulären Methoden von Gaia richtig gemessen zu werden. Anhand der neuen Daten können wir die Struktur des Haufens untersuchen, wie die einzelnen Sterne verteilt sind, wie sie sich bewegen und noch vieles mehr, um eine vollständige großflächige Karte von Omega Centauri zu erstellen. Dadurch wird Gaias volles Potenzial genutzt – wir haben dieses großartige kosmische Werkzeug mit größtmöglicher Leistung eingesetzt.“

10 Mal mehr Sterne: Zwei Gaia-Ansichten von Omega Centauri im Vergleich
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Dieses Ergebnis erfüllt nicht nur das geplante Potenzial von Gaia – es übertrifft dieses sogar. Das Team verwendete einen Beobachtungsmodus, der so konzipiert ist, dass der reibungslose Betrieb aller Instrumente von Gaia sichergestellt wird. „Wir haben nicht damit gerechnet, dass wir ihn jemals für wissenschaftliche Zwecke nutzen würden, weshalb dieses Ergebnis umso spannender ist“, fügt Weingrill hinzu.

Die neu entdeckten Sterne in Omega Centauri stellen eine der am stärksten besiedelten Regionen dar, die Gaia bisher erforscht hat.

Gaia erforscht derzeit acht weitere Regionen auf diese Weise. Die Ergebnisse werden in der Datenfreigabe 4 von Gaia enthalten sein. Mithilfe dieser Daten können die Astronom:innen nachvollziehen, was in diesen kosmischen Bausteinen vor sich geht. Dieser Schritt ist für Wissenschaftler:innen entscheidend, um das Alter unserer Galaxie zu bestimmen, ihr Zentrum zu ermitteln, herauszufinden, ob es in der Vergangenheit zu Kollisionen gekommen ist sowie die Veränderung der Sterne im Laufe ihrer Lebenszeit zu bestimmen, unsere Modelle der galaktischen Entwicklung einzuschränken und schließlich das mögliche Alter des Universums selbst zu bestimmen.

Die Suche nach Linsen: Gaia – die zufällige Kosmologin

Streifzug durch die neue Gaia-Ansicht von Omega Centauri

Gaia wurde zwar nicht für die Kosmologie entwickelt, aber ihre neuen Erkenntnisse blicken tief in das ferne Universum und suchen nach schwer zugänglichen und spannenden Objekten, die Hinweise auf einige der größten Fragen der Menschheit über den Kosmos enthalten: Gravitationslinsen.

Gravitationslinsen treten auf, wenn das Bild eines weit entfernten Objekts durch eine störende Masse – z. B. einen Stern oder eine Galaxie – zwischen uns und dem Objekt, verzerrt wird. Diese Zwischenmasse wirkt wie ein riesiges Vergrößerungsglas, die die Lichthelligkeit verstärken und mehrere Bilder der fernen Quelle an den Himmel werfen kann. Diese seltsamen und seltenen Konfigurationen sind nicht nur visuell faszinierend, sie sind auch von großem wissenschaftlichem Wert, da sie einzigartige Einblicke in die frühesten Tage und Bewohner des Universums gewähren.

„Gaia ist ein wahrer Linsensucher“, sagt Co-Autorin Christine Ducourant vom Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux, Frankreich, und Mitglied der Gaia-Kollaboration. „Dank Gaia haben wir herausgefunden, dass einige der von uns beobachteten Objekte nicht einfach Sterne sind, auch wenn sie so aussehen. Es handelt sich dabei um sehr weit entfernte linsenförmige Quasare – extrem helle, energiereiche galaktische Kerne, die von schwarzen Löchern angetrieben werden. Wir präsentieren jetzt 381 feste Kandidaten für gelenkte Quasare, davon halten wir 50 für sehr wahrscheinlich: eine Goldgrube für Kosmolog:innen und die größte Menge an Kandidaten, die jemals auf einmal veröffentlicht wurde.“

Gaia ortet Hunderte von linsenförmigen Quasar-Kandidaten in einer neuen Datenfreigabe

Das Team identifizierte die Kandidaten aus einer umfangreichen Liste möglicher Quasare (einschließlich derer aus Gaia DR3). Fünf der möglichen Linsen sind potenzielle Einstein-Kreuze – seltene Linsensysteme mit vier verschiedenen Bildkomponenten in Kreuzform (Siehe „12 solcher Konfigurationen werden 2021 von Gaia entdeckt“).

Die Suche nach linsenförmigen Quasaren ist eine Herausforderung. Die einzelnen Bilder eines Linsensystems können sich am Himmel auf verwirrende Weise ansammeln, und die meisten sind sehr weit entfernt, sodass sie schwach und schwer zu erkennen sind.

„Das Tolle an Gaia ist, dass das System überall hinschaut, sodass wir Linsen finden können, ohne zu wissen, wo wir suchen müssen“, fügt Co-Autor Laurent Galluccio von der Université Côte d'Azur, Frankreich, und Mitglied der Gaia-Kollaboration hinzu. „Mit dieser Datenfreigabe ist Gaia die erste Mission, die den gesamten Himmel mit hoher Auflösung nach Gravitationslinsen durchforstet.“

Durch die Ausweitung der Nutzung von Gaia auf die Kosmologie ergeben sich Synergien mit der ESA Euclid Mission, die kürzlich zur Erforschung des „dunklen Universums“ gestartet wurde. Die beiden Missionen konzentrieren sich zwar auf unterschiedliche Teile des Kosmos – Euclid auf die Kartierung von Milliarden von Galaxien, Gaia auf die Kartierung von Milliarden von Sternen. Die von Gaia entdeckten linsenförmigen Quasare können allerdings für die zukünftige Erforschung mit Euclid genutzt werden.

Asteroiden, gebündeltes Sternenlicht und pulsierende Sterne

Weitere heute veröffentlichte Artikel bieten einen tieferen Einblick in den Raum um uns herum und die vielfältigen und manchmal mysteriösen Objekte darin.

Ein Artikel verrät mehr über 156 823 Asteroiden, die im Rahmen von Gaia DR3 identifiziert wurden. Der neue Datensatz bestimmt die Positionen dieser Gesteinskörper über einen fast doppelt so langen Zeitraum wie bisher. Somit sind die meisten ihrer Umlaufbahnen – allein auf der Grundlage der Gaia-Beobachtungen – 20 Mal genauer als bisher. Gaia DR4 wird die Reihe ergänzen und Kometen, Planetensatelliten und die doppelte Anzahl von Asteroiden enthalten und damit unser Wissen über diese kleinen Körper im nahen Weltraum vertiefen.

20-mal präziser: Gaia kartiert 150 000+ Asteroidenbahnen

Eine weitere Arbeit kartiert die Scheibe der Milchstraße, indem sie die schwachen Signale im Sternenlicht, schwache Abdrücke von Gas und Staub, die zwischen den Sternen schweben, aufspürt. Das Gaia-Team hat sechs Millionen Spektren übereinandergelegt, um diese Signale zu untersuchen. Dadurch entstand ein unglaublich großer Datensatz mit schwachen Eigenschaften, die noch nie zuvor in einer so großen Stichprobe gemessen wurden. Mithilfe des Datensatzes können die Wissenschaftler:innen hoffentlich endlich die Quelle dieser Signale eingrenzen, von der das Team vermutet, dass es sich um ein komplexes organisches Molekül handelt. Wenn wir mehr darüber wissen, woher dieses Signal kommt, können wir die komplexen und verflochtenen physikalischen und chemischen Prozesse in unserer Galaxie untersuchen und mehr über das Material zwischen den Sternen erfahren.

Zu guter Letzt wird in einem Artikel die Dynamik von 10.000 pulsierenden und binären roten Riesensternen in der bei weitem größten bislang verfügbaren Datenbank beschrieben. Diese Sterne waren Teil eines Katalogs mit zwei Millionen veränderlichen Sternkandidaten, der in Gaia DR3 veröffentlicht wurde. Sie sind von entscheidender Bedeutung, wenn es um die Berechnung kosmischer Entfernungen, die Bestätigung der Eigenschaften von Sternen und die Klärung der Entwicklung von Sternen im gesamten Kosmos geht. Die neue Freigabe bietet ein besseres Verständnis der Veränderungen dieser faszinierenden Sterne im Laufe der Zeit.

Gaia charakterisiert die Dynamik von 10 000 variablen Sternen

„Diese Datenfreigabe beweist einmal mehr den umfassenden und grundlegenden Wert von Gaia – selbst bei Fragen, für die Gaia ursprünglich nicht gedacht war“, sagt Timo Prusti, Projektwissenschaftler für Gaia bei der ESA.

„Zwar liegt der Schwerpunkt von Gaia auf der Vermessung von Sternen, aber sie erforscht auch alles andere, von den Gesteinskörpern des Sonnensystems bis hin zu den Milliarden von Lichtjahren entfernten Quasaren weit jenseits der Milchstraße. Die Mission bietet einen wahrhaft einzigartigen Einblick in das Universum und die Objekte darin, und wir machen das Beste aus der umfassenden Gesamtsicht des Himmels um uns herum.“

Die nächsten Schritte

Die letzte Datenfreigabe von Gaia, Gaia DR3, erfolgte am 13. Juni 2022. Es handelte sich um die bisher detaillierteste Vermessung der Milchstraße und eine Fundgrube für Daten über seltsame „Sternenbeben“, asymmetrisch bewegte Sterne, stellare DNA und mehr. Gaia DR3 enthielt neue und verbesserte Details für fast zwei Milliarden Sterne in der Milchstraße und umfasste die größten Kataloge von Doppelsternen, Tausende von Objekten im Sonnensystem und – weiter entfernt und außerhalb unserer Galaxie – Millionen von Galaxien und Quasaren.

Die nächste Datenfreigabe der Mission, Gaia DR4, wird voraussichtlich nicht vor Ende 2025 erfolgen. Sie wird auf Gaia DR3 und dieser vorläufigen fokussierten Produktfreigabe aufbauen, um unser Verständnis der mehrdimensionalen Milchstraße weiter zu vertiefen. Dadurch werden wir unser Wissen über die Farben, Positionen und Bewegungen der Sterne verbessern, veränderliche und Mehrfachsternsysteme entschlüsseln, Quasare und Galaxien identifizieren und charakterisieren, Kandidaten für Exoplaneten ermitteln und vieles mehr.

Hier erfahren Sie, wann die Datenfreigaben von Gaia anstehen.