Das Auge von Gaia: Gigapixelkamera zur Vermessung der Milchstraße

Gaia Kamera-Array
6 Juli 2011

Die größte Digitalkamera, die je für eine Raumfahrtmission gebaut wurde, besteht aus 106 präzise aneinandergefügten elektronischen Detektoren. Das Ergebnis ist eine „Milliarden-Pixel-Kamera“, das superempfindliche Auge von Gaia, der ESA-Mission zur Vermessung unserer Galaxie.

Schon mit bloßem Auge kann man in einer klaren Nacht mehrere Tausend Sterne betrachten. Die Zahl der Objekte, die Gaia in seiner fünfjährigen Mission ab 2013 in unserer Milchstraße und den umliegenden Galaxien kartographieren wird, geht jedoch in die Milliarden. Dabei wird Gaia auch die Helligkeit der Sterne in den verschiedenen Spektralbereichen messen und ihre Positionen und Bewegungen im dreidimensionalen Raum berechnen.

Um Objekte auch dann noch wahrzunehmen, wenn sie eine Millionen Mal schwächer leuchten als Sterne, die mit bloßem Auge gerade noch wahrnehmbar sind, wird Gaia mit 106 sogenannten CCDs, moderne Chips, wie sie auch in Digitalkameras zu finden sind, ausgestattet sein.

Die von e2v Technologies, einer in Chelmsford ansässigen britischen Firma, eigens für die Mission entwickelten rechteckigen Detektoren sind mit 4,7 x 6 cm ein wenig kleiner als eine Kreditkarte, gleichzeitig jedoch dünner als menschliches Haar.

Das 0,5 x 1 m große Mosaik aus Einzeldetektoren wurde in Toulouse gefertigt, wo der Hauptauftragnehmer für die Gaia Mission, Astrium France, ein Werk unterhält.

Gaias Teleskopelemente und Fokalebene

Die Techniker haben beinahe den gesamten Mai hindurch in Doppelschichten gearbeitet, um die einzelnen CCDs unter Reinraumbedingungen und mit nur 1 mm Zwischenraum auf der Trägerstruktur anzubringen. Bei durchschnittlich 4 CCDs pro Tag brachten sie ihre Arbeit am 1. Juni zum Abschluss.

„Das Aufbringen und präzise Ausrichten der 106 CCDs ist ein zentraler Vorgang bei der Montage der Fokalebenenanordnung des Flugmodells“, so Philippe Garé, ESAs Nutzlast-Manager für Gaia.

Das vollständige Mosaik besteht aus sieben CCD-Reihen. Das Hauptfeld ist aus 102 Detektoren zusammengesetzt, die Himmelskörper registrieren. Vier weitere Reihen prüfen die Bildqualität der einzelnen Teleskope und die Stabilität des 106,5°-Winkels zwischen den beiden Teleskopen, die Gaia nutzt, um Stereobilder von den Sternen zu erhalten.

Eine gleichmäßige Temperatur der Sonde von –110ºC sorgt für eine höhere Empfindlichkeit der Detektoren.

Die Trägerstruktur für die CCDs besteht, wie auch ein Großteil der Sonde selbst, aus Siliziumkarbid, einem extrem temperaturbeständigen keramikartigen Material.

Fertiggestelltes CCD-Feld

Da SiC, das eigentlich als Ersatz für Diamanten synthetisiert wurde, extrem leicht ist, wiegt die gesamte Trägerstruktur mit den dazugehörigen Detektoren gerade einmal 20 kg.

Gaia wird in eine Umlaufbahn um den Lagrange-Punkt L2 des Sonne-Erde-Systems in 1,5 Millionen Kilometern Entfernung von der Erde in entgegengesetzter Richtung der Sonne einschwenken, einem stabilen Punkt im All, wo sich die Gravitationskräfte von Erde und Sonne genau die Waage halten.

Das Licht der Sterne, das von Gaias zwei rotierenden Teleskopen erfasst wird, streicht über die Fokalebene, wo sie spektral in vier Felder zerlegt werden, die jeweils für das Kartographieren, die Erfassung der Position und Bewegung, die Farbe und Intensität und für die Spektrometrie genutzt werden.

Gaia wird nach seinem für 2013 geplanten Start 1 Prozent der Sterne unserer Galaxie erfassen, und seine dreidimensionale Sternenkarte wird uns ein besseres Bild von der Struktur und Entwicklung der Milchstraße geben.

Gaia soll jedoch auch eine Vielzahl anderer Objekte aufspüren, angefangen von kleineren Himmelskörpern in unserem Sonnensystem und weiter entfernten Galaxien bis hin zu Quasaren am Ende des für uns beobachtbare Universums.

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