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 3 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 Sonne-Erde-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 beeinträchtigen 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 zwei Spiegelteleskopen mit weit voneinander getrennten Gesichtsfeldern am Himmel versorgt werden. Die Teleskope haben keine kreisförmigen, sondern rechteckige Primärspiegel der Größe 145 cm × 50 cm. Alle Instrumente schauen auf die gleichen um 106,5° getrennten Himmelsabschnitte, die von je einem der beiden Teleskope abgebildet werden. 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 die Geschwindigkeiten von Sternbewegungen ableitbar. Außerdem lässt sich über die Messung der Parallaxe die Entfernung bestimmen.

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 Geschwindigkeit der Sterne entlang der Sichtlinie ableiten lässt. 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.

Seit dem Start gab es an Bord nur geringe Störungen im üblichen Umfang für solche komplexen Raumfahrtmissionen. Alle Systeme funktionieren, und die Qualität der wissenschaftlichen Daten entspricht – abgesehen von den im nächsten Abschnitt genannten Problemen – den Erwartungen (Stand: März 2015).

Die Auswertung der Rohdaten und Eichung der Sonde liegt in der Hand des von ESA beauftragten wissenschaftlichen Gaia-Konsortiums „DPAC“. Erste wissenschaftliche Ergebnisse sollen Mitte 2016 veröffentlicht werden.

Probleme[Bearbeiten]

Streulichtproblem[Bearbeiten]

Kurz nach dem Start wurden von den beteiligten Wissenschaftlern Streulichtprobleme an Gaia entdeckt. Licht der Sonne fand über Umwege einen Weg in die Optik des Teleskops. Nachdem zuerst Eisablagerungen am Rand des Sonnenschildes im Verdacht standen,[14] stellte sich dann aber heraus, dass die Glasfasern des Sonnenschildes über den Rand des Schildes herüberragen. Durch diesen Fehler wird es leichte Beeinträchtigungen der Beobachtung der lichtschwächsten Sterne geben.

Kontaminationsproblem[Bearbeiten]

Ebenfalls schon kurz nach dem Start wurde entdeckt, dass die Sterne in Gaias Detektoren scheinbar schnell lichtschwächer wurden. Als Ursache wurde rasch der Niederschlag von Eiskristallen auf (zumindest einigen) Teleskopspiegeln vermutet. Dies wurde schon nach wenigen Wochen durch die probeweise Aufheizung eines Spiegels bewiesen: Der Lichtverlust verschwand genau bei Erreichen der vorausgesagten Temperatur. Von Februar bis September 2014 wurden die Gaia-Teleskope insgesamt vier Mal aufgeheizt, um den wiederkehrenden Niederschlag zu beseitigen. Es dauerte jedes Mal länger bis zur Wiederkehr, sodass Anfang 2015 die Hoffnung bestand, dass nur noch ein bis zwei weitere Dekontaminations-Kampagnen bis zum vollständigen Erlöschen der Quelle der Kontamination (von der Erde mitgebrachte Feuchtigkeit, vermutlich im warmen Versorgungsteil des Raumfahrzeugs) nötig sein werden.

Dieses Problem bedingt einen zeitweisen Lichtverlust und, während und nach den Aufheizphasen, einen gewissen Verlust an Missionszeit und Gleichmäßigkeit der Himmelsüberdeckung. Eine wesentliche Beeinträchtigung der Missionsziele wird nicht erwartet.

Sechs-Stunden-Oszillation der Teleskop-Geometrie[Bearbeiten]

Das an Bord befindliche Interferometer zur Kontrolle der sehr wichtigen geometrischen Stabilität der Instrumente zeigte von Beginn an eine periodische Variation des Winkels zwischen den beiden Teleskopen von etwa einer Millibogensekunde. Diese Oszillation ist stets vorhanden, sobald Gaia mit der geplanten 6-Stunden-Periode rotiert. Die Schwingung um eine Millibogensekunde entspricht einer gegenseitigen Verdrehung der beiden Teleskope von nur einigen Nanometern. Sie ist sehr präzise periodisch und streng mit der Orientierung von Gaia relativ zur Sonne verbunden. Die Gaia-Astronomen erwarten, dass der Effekt deshalb sehr genau geeicht werden und damit sein Störeffekt weitgehend aus den Messungen beseitigt werden kann.

Literatur[Bearbeiten]

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).
  14. Den Himmelsvermesser Gaia plagen kleine Pannen.