Europas Superauge

Im Visier der Raumsonde GAIA: Die Milchstraße, unsere kosmische Heimat
3 November 2004

Mit GAIA, der 2011 von Kourou aus startenden ESA-Flaggschiffmission, sollen über 1 Milliarde kosmischer Objekte in der Milchstraße vermessen werden. Aus den Daten erhoffen sich die Forscher Antworten auf das „Woher“ und „Wohin“ unserer Heimatgalaxis.

Eine Mission mit Superlativen steht an. Untersuchungsgegenstand von GAIA ist unsere kosmische Heimat, die Milchstraße. Sie ist eine flache diskusartige Scheibe mit einem Durchmesser von 100.000 Lichtjahren und einer Dicke von ungefähr 1600 bis 3000 Lichtjahren. Mehr als 100 Milliarden Sonnen gehören zur Milchstraße. Sie sind vorrangig im Kern und ihren Spiralarmen konzentriert, die um das Zentrum rotieren. Wer glaubt, unser Sonnensystem, das die Krone der Schöpfung hervorgebracht hat, würde der Nabel der Welt sein, irrt gewaltig. Wir sind nur kosmischer Durchschnitt, der sich in einem äußeren Spiralarm befindet, 30.000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt. In einer sternenklaren Nacht können wir die flache diskusartige Scheibe als milchiges Band am Firmament erkennen. Das ist unsere Galaxis, das ist unsere kosmische Heimat.

Flug zum Gravitations-Nullpunkt

Der Erststart der „Sojus-Kourou“ ist für 2007 geplant

Gegen 2011/2012 soll die 1700 kg schwere Raumsonde GAIA mit einer Sojus-Trägerrakete vom europäischen Raumfahrtzentrum Kourou in Französisch-Guayana starten. 800 kg entfallen dabei auf eine hochsensible Nutzlast – zwei mit CCD-Detektoren bestückte Kamera-Teleskope Astro und Spectro der Extraklasse. Mit ihnen soll GAIA Teile des Weltraums, speziell unserer Milchstraße, mindestens fünf Jahre lang in höchster Präzision kartographieren.
Das Herzstück von GAIA stellt Astro dar. Dahinter verbergen sich zwei identische Teleskope, die mit einer bislang unübertroffenen Auflösung von einer Milliarde Bildpunkten die Positionen der Sterne und ihre Bewegungen im Weltraum bestimmen. Astro verkörpert ein Superauge, das eine Million Mal schärfer als das menschliche Auge sehen und messen kann. Stünde diese Anlage auf dem Erdmond, könnte sie jede Augenwimper eines auf der Erde befindlichen Menschen exakt vermessen.
Spectro, das Gegenstück zu Astro, ist eine Spektralkamera, die ebenso mit CCD-Technik arbeitet, jedoch mit unterschiedlich großen Detektoren. Ein Teil von ihnen liefert spektroskopische Informationen, aus denen die Bewegung der Sterne gemessen werden kann. Der andere Teil misst die Helligkeit der Sterne in verschiedenen Spektralbereichen, die wiederum eine präzise Klassifizierung der Beobachtungsobjekte ermöglicht.

Nach einem sechsmonatigen Flug durch den interplanetaren Raum hat GAIA dann ihr Zielgebiet erreicht, den so genannten Lagrange-Punkt „L 2“. Er ist 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Dieser Bereich ist deshalb für Astronomie-Missionen interessant, weil der Langrange-Punkt „L 2“ in festem Abstand mit der Erde um die Sonne mitläuft und so einen wesentlich ungestörteren Blick auf das Weltall – speziell auf die Milchstraße – ermöglicht, als dies von einer Erdumlaufbahn möglich wäre. Die spezielle Geometrie - Sonne und Erde stehen vom Satelliten aus gesehen immer in der gleichen Richtung - erlaubt ausserdem ein Satellitendesign, das auf der einen Seite die thermische Strahlung abschirmt und auf der anderen Seite Wärme ins Weltall abstrahlen kann. Das ist besonders geeignet ist für moderne gekühle Sensoren (Herschel/Planck-Missionen oder auch James Webb Space Telescope) oder für Satelliten, die besondere thermische Stabilität verlangen, wie die Optische Bank auf GAIA.

Ein Vorreiter namens Hipparcos

Hipparcos, der ESA-Vermessungssatellit der ersten Generation

GAIA knüpft an die ESA-Mission Hipparcos an, bei der der Astrometrie-Satellit von 1989 bis 1993 mehr als 100 000 Sterne mit sehr hoher und 500.000 Sterne mit niedriger Präzision vermessen hat. Hipparcos revolutionierte die Astrometrie, die Wissenschaft des exakten Vermessens von Sternpositionen und Sternbewegungen, des Erfassens von Helligkeiten sowie von Farben kosmischer Objekte.
Bis dahin war Astrometrie ein schwieriges Hinterzimmerthema weniger Spezialisten. Aus einer eher vernachlässigten Kunst entstand binnen weniger Jahre ein aktuelles Forschungsgebiet, das vollkommen neue Erkenntnisse in vielen Bereichen der modernen Astronomie ermöglichte. Das betrifft beispielsweise die Kometen- und Asteroidenforschung, die Suche nach Planetensystemen, die Astrophysik sowie die Kosmologie. Die mit raumflugtechnischen Mitteln gewonnenen hochgenauen Messergebnisse von Hipparcos führten zu einem Quantensprung in der Astronomie.
Hochgenaue astrometrische sowie spektro-photometrische Messungen sind heute eine der wichtigsten Grundlagen für die Bestimmung von Sternparametern, für die Entdeckung neuer Objekte und Phänomene, für das Erkennen dynamischer Entwicklungsprozesse sowie für das Aufspüren von Massenverteilungen. Veränderungen jedweder Art lassen sich nur erkennen, wenn gleiche Weltraumareale in bestimmten Abständen wiederholt vermessen werden. Aus diesen Gründen soll GAIA – so das ehrgeizige Ziel der Forscher und Ingenieure – Hipparcos nochmals um den Faktor 100 übertreffen.

GAIAs Ziel-Visionen

Ulrich Bastian, Mitglied des 13-köpfigen GAIA-Science-Teams der ESA, erläutert das gigantische Vorhaben: „GAIAs wichtigstes wissenschaftliches Ziel besteht darin, mit Hilfe seiner Sternmessungen den Ursprung und die Geschichte unserer Milchstraße aufzuklären. Die von GAIA gesammelten Messdaten werden es den Astronomen erlauben, besser als jemals zuvor verstehen zu können, wann, wo und wie die Sterne entstanden sind, wie sie ihre Umgebung mit Materie anreichern und wann sie sterben.“
GAIA wird extrem genau die Entfernungen und Bewegungen von ungefähr einer Milliarde Sternen bestimmen und damit Daten gewinnen, die den Astronomen eine bessere Vorstellung geben werden von der Struktur und der Entwicklung unserer kosmischen Heimat, des Milchstraßensystems. Projektwissenschaftler Bastian, der am Astronomischen Rechen-Institut in Heidelberg (ARI) und damit an der deutschen Leiteinrichtung für diese Mission tätig ist, bezeichnet GAIA als „größte Entdeckungsmaschine in der Astronomie“. Zu Recht, versprechen sich doch die Missionsplaner das Aufspüren gigantischer Mengen neuer kosmischer Objekte. Hierzu gehören

  • 20.000 Supernovae
  • 30.000 Planeten außerhalb unseres Sonnensystems
  • 50.000 Braune Zwerge (Objekte zwischen Planeten und Sternen)
  • mehrere 100.000 Weiße Zwerge (alte Sternreste)
  • mehrere 100.000 Quasare (weit entfernte aktive Galaxien)
  • bis zu 1 Million Asteroide und Kometen innerhalb unseres Sonnensystems

Europa führend in der Astrometrie

Die ESA hat neben zwei großen konkurrierenden Systemstudien-Aufträgen an Astrium sowie an Alenia/Alcatel zehn weitere kleinere technische Studien vergeben, die in Kürze abgeschlossen werden. Der industrielle Hauptauftragnehmer für GAIA wird voraussichtlich 2005 ausgewählt werden. Die Gesamtkosten der Mission belaufen sich, inklusive Start, Trägerrakete, Bodenkontrolle und Nutzlast auf etwa 450 Mill. Euro. Mit GAIA wird Europa die führende Stellung in der Astrometrie festigen und weiter ausbauen können.

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