Das Gaia-Nutzlastmodul wird für Tests vorbereitet.
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Wie arbeiten die Hauptinstrumente?

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ESA / Space in Member States / Germany

 

Gaia verfügt über zwei gleichartige Spiegelteleskope (Astro und Spectro) und drei wissenschaftliche Hauptinstrumente. Die Gesichtsfelder der Teleskope liegen um 106,5 Grad auseinander. Die drei Instrumente erfassen über die beiden Teleskope simultan die gleichen Himmelsabschnitte. Durch langsame Rotation der dreiachsenstabilisierten Raumsonde wird der laufende Himmel kontinuierlich abgetastet.

Beide Teleskope besitzen jeweils einen rechteckigen Hauptspiegel von 145 Zentimeter mal 50 Zentimeter Öffnung und 35 Meter Brennweite. Letzteres wird durch mehrfache Umlenkungen der Lichtstrahlen erreicht, bevor sie auf das 0,39 Quadratmeter große Detektorfeld der 106 CCD-Sensoren treffen. Sowohl die Teleskope als auch die drei Instrumente greifen gleichermaßen, jedoch in unterschiedlichen Anteilen, auf das Detektorfeld zu. Vier CCD-Reihen prüfen die Bildqualität der Teleskope und die Stabilität des Winkels von 106,5 Grad zwischen den beiden Teleskopen.

Das Hauptfeld (102 CCD-Detektoren) gliedert sich in die drei Bereichsfelder Astrometrie, Photometrie sowie Spektroskopie, wobei jedes der drei Felder ein Hauptinstrument versorgt. Darüber hinaus befinden sich auf dem Detektorfeld ein Wellenfrontsensor sowie ein Basiswinkel-Monitor zur Kontrolle des Winkels zwischen den Teleskopen.

Zum astrometrischen Instrument gehört das größte Feld mit 62 CCD-Detektoren zur präzisen Messung von Sternpositionen und Sternbewegungen. Die Entfernungsmessungen erfolgen mit Hilfe des Parallaxenverfahrens. Durch wiederholte Messungen über die fünfjährige Missionsdauer wird die individuelle Geschwindigkeit jedes der erfassten Sterne ermittelt. Aus der Geschwindigkeit eines Sterns wiederum kann man ableiten, wo sich der Stern vor Millionen von Jahren befunden hat und welche Position er in der Zukunft einnehmen wird.

Das photometrische Instrument mit 28 CCD-Detektoren misst Helligkeiten, Farben und Temperaturen der Sterne in einem breiten Wellenlängenbereich.

Das spektroskopische Instrument – ein Radialgeschwindigkeitsspektrometer – arbeitet mit 12 CCD-Detektoren. Es erfasst das Sternenlicht in einem engen Wellenlängenbereich und zerlegt es in seine Bestandteile. Daraus wird die Zusammensetzung des kosmischen Objektes ermittelt. Das Spektrum des sichtbaren Lichts wiederum verrät die Geschwindigkeit des beobachteten Objektes, mit dem es sich auf Gaia zu oder von ihr weg bewegt.

Gigantischer Datenfluss

Die Datenverarbeitungseinheit muss riesige Mengen an Daten verarbeiten.
Die Datenverarbeitungseinheit muss riesige Mengen an Daten verarbeiten.

„Gaia misst automatisch und ohne Unterbrechung die Merkmale Hunderter Sterne pro Sekunde. Das entspricht pro Tag etwa vierzig Millionen Beobachtungen!“, berichtet Giuseppe Sarri, der verantwortliche ESA-Projektmanager der Gaia-Mission.

Von jedem Stern, der in das Beobachtungsfenster der Teleskope gerät, fertigt Gaia vollautomatisch neun astrometrische Einzelmessungen und zwei fotometrische Vielfarbmessungen an. Für alle Sterne, die heller als die 17. Größenklasse (mag 17) sind, kommen noch jeweils drei Spektren hinzu. Aus diesen Daten lassen sich Radialgeschwindigkeit, Temperatur, Oberflächengravitation und chemische Zusammensetzung der Objekte bestimmen.

Um die gigantische Datenmenge bewältigen zu können, entwickelte Astrium eine elektronische Anlage zur Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung – ein Wunderwerk der Technik. Die täglich anfallenden 50 Gigabyte an Daten werden über die neue satelliteneigene Richtantenne aus einer Entfernung von 1,5 Millionen Kilometern zur Erde gesandt.

Im Verlauf der fünfjährigen Missionsphase wird jeder der ungefähr eine Milliarde Sterne etwa 70-mal mit höchster Präzision erfasst sein. Am Ende werden den Forschern 900 Milliarden Beobachtungsdaten mit einem Volumen von 1 Petabyte (1015 Byte = 1.000.000.000.000.000 Byte) für die Auswertung zur Verfügung stehen – so viel, wie auf 200.000 DVDs passt.

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