Gaia (Raumsonde)

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Gaia
Gaia
Typ: Weltraumteleskop
Betreiber: Europäische WeltraumorganisationESA ESA
Missionsdaten
Masse: 2030 kg
Start: 19. Dezember 2013, 9:12 Uhr UTC
Startplatz: Centre Spatial Guyanais, ELS
Trägerrakete: Sojus-ST
Flugdauer: 5 Jahre (geplant)
Status: im Orbit
Bahndaten
Skizze der Gaia-Sonde, nach den Maßen aus diesem Artikel erstellt

Gaia ist eine am 19. Dezember 2013 gestartete astronomische Weltraumsonde der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), die eine hochgenaue optische Durchmusterung des gesamten Himmels durchführen soll. Dabei soll rund ein Prozent der Sterne unserer Milchstraße (die aus geschätzt mehr als 100 Milliarden Sternen besteht) astrometrisch, photometrisch und spektroskopisch mit bis dahin unerreichter Genauigkeit kartographisch erfasst werden. Gaia ist Nachfolger der Hipparcos-Mission der ESA (1989–1993).

Der Name Gaia war ein Akronym für „Globales Astrometrisches Interferometer für die Astrophysik“.[1] Er kennzeichnet die ursprünglich für dieses Teleskop geplante Technik der optischen Interferometrie. Der Name wurde später trotz des im Laufe der Planungen geänderten Messprinzips beibehalten, er bezeichnet außerdem die Erdmuttergöttin Gaia der griechischen Mythologie.

Wissenschaftliche Ziele[Bearbeiten]

Das wichtigste wissenschaftliche Ziel der Gaia-Mission besteht darin, mit Hilfe ihrer Sternmessungen den Ursprung und die Entwicklung unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, aufzuklären. Die von Gaia gesammelten Messdaten sollen insbesondere Informationen darüber liefern, wo, wann und wie die Sterne entstanden sind und wie sie ihre Umgebung mit Materie anreichern, wenn sie sterben. Dazu soll Gaia mit bis dahin unerreichter Genauigkeit die Positionen, Entfernungen (Parallaxen) und Bewegungen (Eigenbewegungen, Radialgeschwindigkeiten) von ungefähr einer Milliarde Sternen bestimmen, also von ca. sechs Sternen pro Sekunde während der geplanten Flugdauer von fünf Jahren.

Die Positions- und Parallaxengenauigkeit wird für helle Sterne (bis 15 mag) besser sein als 25 µas (1 µas = 10−6 Bogensekunden) und bei den schwächsten Sternen (bei 20 mag) auf rund 300 µas abfallen, wobei letzterer Wert immer noch besser ist als die bisher genauesten Messungen an sehr hellen Sternen (500–2000 µas, durchgeführt im Rahmen der Hipparcos-Mission). Außerdem sollen für eine Milliarde Sterne Helligkeit und Farben mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Für die hellsten 100–200 Millionen Sterne soll Gaia zusätzlich gut aufgelöste Spektren liefern, aus denen Radialgeschwindigkeit, Temperatur, Oberflächengravitation und chemische Zusammensetzung der Sterne bestimmt werden können.

Neben Informationen über die Struktur und Entwicklung der Milchstraße erhoffen sich die Astronomen von diesen Daten neue Erkenntnisse über den inneren Aufbau, die Entstehung und Entwicklung von Sternen.

Eine mögliche zeitliche Änderung der Gravitationskonstante G (genauer: \frac{dG/dt}{G}) soll mit einer Genauigkeit von besser als 10−13/Jahr erfasst werden. Die relativistische Lichtablenkung durch die Schwerkraft der Sonne soll mit einer relativen Genauigkeit von rund einem Millionstel gemessen und die Lichtablenkung durch die Schwerkraft der Planeten erstmals direkt nachgewiesen werden.

Darüber hinaus erhoffen sich die Astronomen von den Gaia-Messungen die Entdeckung einer Vielzahl bislang unbekannter Himmelsobjekte, Abschätzungen zufolge in den folgenden Größenordnungen:

Gaia ist für eine fünfjährigeVorlage:Zukunft/In 4 Jahren Missionsdauer ausgelegt. Ein aus den von Gaia gewonnenen Daten erstellter Sternenkatalog mit über einer Milliarde Sterne soll im Jahr 2022 veröffentlicht werden.[2]

Kosten und Industriebeteiligung[Bearbeiten]

Die Kosten der ESA für die Mission einschließlich Start, Bodenkontrolle und Nutzlast belaufen sich auf ungefähr 577 Millionen Euro. Die Kosten für die wissenschaftliche Datenreduktion (die von den Mitgliedsländern der ESA aufgebracht werden müssen) werden auf etwa 120 Millionen Euro geschätzt. Mehrere Industriestudien, die etwa 15 Millionen Euro kosteten, wurden im Jahre 2005 zum Abschluss gebracht. Im Februar 2006 beauftragte die ESA die Firma EADS Astrium mit dem Bau von Gaia. Am 11. Mai 2006 wurde schließlich der Bauvertrag von Gaia zwischen der ESA und Astrium unterzeichnet.[3]

Start[Bearbeiten]

Der Start erfolgte am 19. Dezember 2013 um 9:12 Uhr UTC[4] mit einer russischen Sojus-Fregat-Rakete vom Centre Spatial Guyanais in Französisch-Guayana.

Umlaufbahn[Bearbeiten]

Die Position des Lagrange-Punktes L2

Am 8. Januar 2014 erreichte Gaia ihren Orbit um den Lagrange-Punkt L2.[5] Der L2-Punkt liegt von der Sonne aus ca. 1,5 Millionen Kilometer hinter der Erde. Das ist etwa die vierfache Mondentfernung. Dieser gravitative Gleichgewichtspunkt läuft in festem Abstand mit der Erde um die Sonne und ermöglicht einen ungestörteren Blick auf das Weltall als es von einer niedrigen Erdumlaufbahn aus möglich wäre. Gaia hat eine Lissajous-Bahn mit einem Abstand von 263.000 × 707.000 × 370.000 km um L2 eingenommen,[6][7] um so zu gewährleisten, dass sie mindestens sechs Jahre lang nicht in den Halbschatten der Erde eintritt. Dieses würde die Energieversorgung unterbrechen und durch die Wärmeausdehnung der optischen Komponenten bei Temperaturänderungen die Abbildungsqualität vorübergehend beeinträchtigen.[8]

Raumfahrzeug[Bearbeiten]

Konstruktion[Bearbeiten]

Die nahezu kreisförmige Anordnung von Solarzellen und „Sonnenschirm“ beherrscht das äußere Erscheinungsbild von Gaia. Der Sonnenschild besteht aus zwölf breiten Streben, zwischen denen sich beim Entfalten des Schildes 48 dreieckige Flächen aufspannen.[9] Über dem Sonnenschild befindet sich eine Kuppel, die die Nutzlast beherbergt. Unterhalb der Nutzlast befindet sich eine zylindrische Versorgungseinheit, die so wesentliche Komponenten wie Antriebseinheit, Datenübertragungssystem und Stromversorgung enthält. Der Satellit ist 3-Achsen-stabilisiert und wird seine langsame Rotation dazu nutzen, den durch das Gesichtsfeld laufenden Himmel kontinuierlich abzutasten. Nutzlast und Versorgungseinheit liegen während des wissenschaftlichen Betriebs stets im kühlenden Schatten des „Sonnenschirms“. In der obigen Skizze des Gaia-Satelliten scheint die Sonne unter einem Winkel von 45 Grad von schräg unten auf das Raumfahrzeug.

Abmessungen[Bearbeiten]

Wenn sich die Solarzellen entfaltet haben, wird Gaia einen Durchmesser von elf Metern haben. Die Nutzlast-Kuppel hat einen Durchmesser von ungefähr drei Metern und eine Höhe von zwei Metern. Die Versorgungseinheit hat ebenfalls drei Meter Durchmesser und einen Meter Höhe.

Triebwerke[Bearbeiten]

Zur Feinregelung während des Messbetriebs hat Gaia zwölf Kaltgasdüsen mit sehr kleinem variablen Schub von 10 bis 150 Mikronewton an Bord. Diese verwenden Stickstoff als Druckgas. Daneben besitzt Gaia acht Triebwerke mit je 10 Newton Schubkraft, um damit in die Lissajousbahn um L2 eintreten zu können.[10] Die stärkeren Triebwerke verwenden einen chemischen Treibstoff.[11]

Masse und Leistungsaufnahme[Bearbeiten]

Beim Start hatte Gaia eine Masse von ungefähr 2030 kg, wobei die Nutzlast 690 kg beiträgt. Gaia weist eine Gesamtleistungsaufnahme von 1720 W auf, wovon die Nutzlast ungefähr 830 W benötigt.

Hauptinstrumente[Bearbeiten]

Gaia trägt drei wissenschaftliche Hauptinstrumente, die gemeinsam von einem Spiegelteleskop mit zwei weit voneinander getrennten Gesichtsfeldern am Himmel versorgt werden. Das Teleskop hat keinen kreisförmigen, sondern einen rechteckigen Primärspiegel der Größe 145 cm × 50 cm. Alle Instrumente schauen auf die gleichen um 106,5° getrennten Himmelsabschnitte. Die beiden Gesichtsfelder sind etwa 1,4° × 0,7° groß, überdecken am Himmel also etwa die vierfache Fläche der Sonnen- bzw. Vollmondscheibe. Erfasst werden sie von einem Feld von insgesamt 106 CCD-Detektoren mit einer Auflösung von je 4500 × 1966 Pixel.[12] Zusammen haben die Kameras des Satelliten damit rund eine Milliarde Pixel.

Astrometrie[Bearbeiten]

Ein Feld von 62 dieser CCD-Detektoren in einem 7×9-Raster wird die Himmelsobjekte registrieren. Das Detektorfeld wird während der Gaia-Mission die Sternpositionen am Himmel mit einer Präzision von teilweise besser als 30 Mikrobogensekunden erfassen.[13] Die Genauigkeit wurde gegenüber der Vorgängermission Hipparcos um einen Faktor 20 bis 50 verbessert. Durch die mehrfache Vermessung von Sternen während der Lebensdauer des Satelliten sind daraus Geschwindigkeiten von Sternbewegungen ableitbar.

Photometrie[Bearbeiten]

14 CCD-Detektoren in zwei Reihen werden Helligkeit und Farben in einem breiten Wellenlängenbereich messen.

Spektroskopie[Bearbeiten]

Das Radialgeschwindigkeitsspektrometer benutzt dasselbe kombinierte Gesichtsfeld wie das astrometrische und das photometrische Instrument. Es arbeitet mit zwölf CCD-Detektoren, die Linienspektren der Sterne aufnehmen, aus denen sich die Bewegung der Sterne entlang der Sichtlinie ableiten lassen. Zusammen mit dem Photometer wird eine genaue Klassifikation vieler der beobachteten Objekte möglich sein.

Betrieb[Bearbeiten]

Die Bodenkontrolle und alle wissenschaftlichen Operationen werden vom Europäischen Raumflugkontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt unter Verwendung der spanischen Bodenstation in Cebreros ausgeführt.

Literatur[Bearbeiten]

  • Ulrich Bastian: Projekt Gaia: Die sechsdimensionale Milchstraße. Teil 2: Wo, wann und wie Gaia arbeiten soll. In: Sterne und Weltraum. ISSN 0039-1263, Ausgabe 6/2013, S. 48–55.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Gaia – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Fabian Schmidt: Eine Raumsonde erkundet die Milchstraße. Deutsche Welle, 19. Dezember 2013, abgerufen am 20. Dezember 2013.
  2. Die Gaia-Mission der ESA. Auf: sterne-und-weltraum.de.' Abgerufen am 7. April 2014.
  3. ESA selects prime contractor for Gaia astrometry mission. ESA, 11. Mai 2006, abgerufen am 20. Dezember 2013 (englisch).
  4. Arianespace Flight VS06 Soyuz ST-B - Gaia: Launch set for Thursday, December 19, 2013. Arianespace, 22. November 2013, abgerufen am 20. Dezember 2013 (englisch).
  5. Gaia enters its operational orbit. ESA, 8. Januar 2014, abgerufen am 8. Januar 2014 (englisch).
  6. Günter Gatzel: Gaia hat Zielorbit erreicht. Auf: Raumfahrer.net. 8. Januar 2014, abgerufen am 24. Januar 2014.
  7. Daniel: The flight dynamics expertise behind Gaia’s critical manoeuvre. Auf: blogs.esa.int. 7. Januar 2014, abgerufen am 24. Januar 2014.
  8. Francois Mignard: Gaia - Taking the Galactic Census. The L2 Orbit. ESA, 25. August 2009, abgerufen am 20. Dezember 2013 (englisch).
  9. Sun block for space astrometry. EADS Astrium, 16. Januar 2012, abgerufen am 20. Dezember 2013 (englisch).
  10. Günther Glatzel: Gaia aktiviert Messinstrumente. Auf: Raumfahrer.net. 2. Januar 2014, abgerufen am 24. Januar 2014.
  11. Service Module. Auf: esa.int. 14. Juni 2013, abgerufen am 24. Januar 2014.
  12. Gaia: Payload module. ESA, 25. August 2009, abgerufen am 25. Dezember 2013 (englisch).
  13. AstroViews 8: Gaia und die Vermessung der Galaxis (Video). spektrumverlag, 3. Januar 2014, abgerufen am 6. Januar 2014 (deutsch).