Galaktische Inventur

Im Weltraumbahnhof Kourou herrscht Hochbetrieb. Ende Oktober soll hier in Französisch-Guayana, am Startplatz der Europäischen Weltraumagentur ESA, eine Sojus-Rakete ein Teleskop der Superlative ins All transportieren: Gaia. Es verfügt über die größte jemals im Weltraum eingesetzte Kamera, die 1000 Megapixel besitzt. Doch faszinierende Himmelsaufnahmen, wie man sie vom Weltraumteleskop Hubble kennt, wird es nicht liefern. Gaias Aufgabe besteht einzig und allein im Erfassen der Positionen, Helligkeiten und Farben von einer Milliarde Gestirnen. Das ist die älteste Form der Astronomie, auch Astrometrie genannt. „ Anfangs dachte ich, Astrometrie sei langweilig”, gesteht Giuseppe Sarri, Gaia-Projektmanager der ESA. „Doch im Lauf der Zeit wurde mir klar, dass sie die Grundlage für all die faszinierenden Erkenntnisse der heutigen Astrophysik ist.”

Entstanden ist das 740 Millionen Euro teure Schmuckstück im Auftrag der ESA unter der Federführung des Raumfahrtunternehmens Astrium in Toulouse. Sieben Jahre lang haben Ingenieure und Techniker gebraucht, um das 1,4 Tonnen schwere Präzisionsinstrument anzufertigen und zu testen. Kurz vor dem Abtransport nach Kourou stellten sie es einer Gruppe von Journalisten vor. „In der Hochphase waren bis zu 2000 Leute damit beschäftigt”, sagt Vincent Poinsignon, Gaia-Projektmanager bei Astrium. Sollte beim Start irgendetwas schiefgehen, wäre alles umsonst gewesen – und die Astronomen um einen Hoffnungsträger ärmer. Denn Gaia soll erstmals die Milchstraße vollständig räumlich erfassen und gewissermaßen eine Art kosmischen Zensus ermöglichen.

Unbekannte Milchstrasse

Obwohl man seit Langem weiß, dass unsere Milchstraße eine Spiralgalaxie ist, sind noch viele Fragen offen. Schon bei der Zahl der Arme sind die Astronomen uneins: Sind es drei oder vier? Und gibt es daneben noch mehrere kleine Arme? Ganz ähnlich ist es bei den Entfernungen: In den vergangenen sieben Jahren haben Astronomen den Abstand des sogenannten Perseus-Spiralarms mehrmals von zunächst 13 000 Lichtjahren auf heute 6500 Lichtjahre korrigiert. Stimmt das? Gaia soll diese und noch viele weitere Rätsel lösen.

Mit der Astrometrie begann die Himmelsforschung. Schon die Astronomen der Antike haben die Positionen und Helligkeiten der Himmelskörper gemessen. Auch wenn das in Zeiten von Hubble und Planck altbacken klingt – die Astrometrie liefert bis heute das einzige Verfahren, um die Entfernungen von Himmelskörpern ohne astrophysikalische Annahmen zu bestimmen. Sie muss also keine – naturgemäß unsicheren – Bedingungen berücksichtigen, beispielsweise über die Helligkeit, Variabilität und Zusammensetzung von Sternen und Galaxien oder über Vordergrundeffekte, beispielsweise durch interstellaren Staub.

Gaias Erfolgsrezept ist die Parallaxenmethode. Sie basiert auf einfacher Geometrie (siehe Grafik rechts, „Gaia nimmt es sehr genau”): Gaia bewegt sich 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt um die Sonne. Dabei beschreibt sie eine Bahn von rund 300 Millionen Kilometer Durchmesser und vermisst die Positionen der Sterne. Da die Himmelskörper während dieses Umlaufs von unterschiedlichen Punkten aus beobachtet werden, wandern deren Positionen aus Gaias Sicht am Himmel auf einer winzigen Ellipse. Darin spiegelt sich Gaias Bewegung um die Sonne wider. Und diese kleinen Positionsveränderungen der Gestirne im Lauf eines halben Jahres genügen, um mit einfacher Trigonometrie die Entfernungen der Himmelskörper zu berechnen.

Ein Finger als Stern

Der Parallaxeneffekt lässt sich leicht veranschaulichen: Wenn man sich einen Finger vor das Gesicht hält und ihn abwechselnd mit dem linken und dem rechten Auge betrachtet, dann scheint der Finger vor dem Hintergrund hin und her zu springen. Die Augen entsprechen dabei zwei Positionen von Gaia auf der Sonnenumlaufbahn, und der Finger entspricht einem Stern.

Mit dem genau bekannten Durchmesser von Gaias Umlaufbahn und den gemessenen Positionsveränderungen der Sterne kann man deren Entfernungen berechnen. Je weiter entfernt ein Stern ist, desto kleiner ist der parallaktische Winkel. Die Reichweite der Methode hängt dabei von der Genauigkeit der Positionsbestimmung ab.

Diese Art der Entfernungsmessung bildet die erste Stufe, auf der alle anderen astrophysikalischen Methoden aufbauen, um schließlich zu Galaxien in mehr als zehn Milliarden Lichtjahren Entfernung zu gelangen. Jede Veränderung in der parallaktischen Entfernungsskala schlägt sich unweigerlich in Korrekturen der anderen Verfahren nieder.

Pioniersonde Hipparcos

Seit Friedrich Wilhelm Bessel Ende 1838 erstmals die Messung einer Sternparallaxe gelang, hat die Astrometrie langsam Fortschritte gemacht. Bis 1990 waren nicht einmal 1000 Parallaxen auf 20 Prozent genau bekannt. Dann startete 1989 der erste reine Astrometriesatellit Hipparcos. Er erhöhte die Zahl auf 50 000 (bild der wissenschaft 1/1999, „Das Weltall wird neu vermessen” ).

Die durchschlagende Wirkung dieses Sternkatalogs zeigte sich in 3000 wissenschaftlichen Arbeiten innerhalb von zehn Jahren nach dessen Veröffentlichung. „Der Hipparcos-Katalog ist ein universelles Werkzeug – er wirkt sich auf alle Bereiche der Astrophysik aus”, erklärt Stefan Jordan vom Zentrum für Astronomie in Heidelberg, das entscheidend an Gaia beteiligt ist. Sein Kollege Ulrich Bastian, der schon bei Hipparcos mitarbeitete, leitet die Erstellung des astrometrischen Katalogs. Coryn Bailer-Jones vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und ihre Kollegen kümmern sich um die Klassifikation der Sterne.

Genaue Entfernungen sind das A und O der Astronomie. Nur wenn man die Distanz kennt, weiß man beispielsweise, wie viel Licht ein Stern abstrahlt. Diese Standardgröße wird für alle Sternmodelle benötigt, die Aussagen über andere Größen wie die Masse machen oder die Entwicklung von Sternen wie unserer Sonne beschreiben.

Eine Entdeckungsmaschine

Gaia wird mehr als 1000 Mal so empfindlich und rund 100 Mal so genau messen wie Hipparcos. Neben der weiterentwickelten Technik besteht auch ein methodischer Unterschied: Während Hipparcos ausschließlich Sterne vermaß, die in einem Katalog verzeichnet waren, wird Gaia alle Himmelskörper bis zu einer bestimmten Mindesthelligkeit registrieren, die in ihr Blickfeld geraten. Das bedeutet: Hipparcos konnte keine neuen Gestirne entdecken, Gaia wird dazu aber sehr wohl in der Lage sein. Deshalb bezeichnen die Experten ihr neues Teleskop als „Entdeckungsmaschine” (siehe Kasten oben, „Hipparcos und Gaia – ein Leistungsvergleich”).

Der technische Sprung von Hipparcos zu Gaia ist enorm. „ Hipparcos hätte einen Astronauten auf dem Mond erkennen können, doch Gaia kann sogar dessen Daumen nachweisen”, veranschaulicht Alvaro Gimenez, Wissenschaftsdirektor der ESA, die Präzision der Winkelmessungen. Ein anderer Vergleich: Teilt man den Äquator in 360 Längengrade ein, so entspricht Gaias maximale Messgenauigkeit von 7 Millionstel Bogensekunden einer Strecke von 0,2 Millimetern.

Die enormen Anforderungen an die Stabilität und Präzision des Teleskops haben die Ingenieure und Techniker bei Astrium schon so manches Mal zur Verzweiflung gebracht. „Anfangs wussten wir nicht einmal, ob die technischen Vorgaben überhaupt zu erfüllen waren”, erinnert sich Sarri. „Allein für die exakte Ausrichtung der optischen Elemente benötigten die Techniker fast ein Jahr”, ergänzt Vincent Poinsignon.

Sonnenschirm im All

Die Temperatur der optischen Bauteile darf höchstens um einige Millionstel Grad schwanken. Das gewährleistet ein zehn Meter großer Sonnenschirm, der aus zwölf dreieckigen Segmenten besteht und sich erst im Weltraum entfalten wird. Hier tauchte ein Problem auf: die Schwerkraft. Der von mehreren kleinen Motoren angetriebene Entfaltungsmechanismus muss in der Schwerelosigkeit reibungslos funktionieren. Getestet werden kann er aber nur im Labor, also unter der Last der Erdanziehung. Deswegen musste eine komplizierte Apparatur gebaut werden, die die Wirkung der Schwerkraft mit Rollenzügen kompensierte. Aufgrund der hohen Ansprüche an die Präzision wurde die Erd- anziehung auch bei anderen Bauteilen zum Problem – etwa bei dem gesamten optischen System, das sich ebenfalls unter Schwerkraft leicht verbiegt.

Da Gaia die Positionen der Sterne über mindestens fünf Jahre hinweg messen wird, erkennt der Satellit auch langsame, nicht von der Parallaxe verursachte Eigenbewegungen. Sie rühren daher, dass sämtliche Sterne um das Zentrum der Milchstraße kreisen. Diese Informationen über die Kinematik und Dynamik der Milchstraße sind die Grundlage für weiterführende astrophysikalische Fragestellungen, zum Beispiel über die Menge und die räumliche Verteilung der rätselhaften Dunklen Materie (bild der wissenschaft 12/2011, „Dunkle Materie”).

Die Hauptmasse ist dunkel

Astrophysiker vermuten, dass die rund 200 Milliarden Sterne nur einen Bruchteil der in der Milchstraße vorhandenen Materie ausmachen. Das Spiralsystem schwebt gewissermaßen in einer riesigen unsichtbaren Wolke aus Dunkler Materie. Mit ihrer gewaltigen Schwerkraft wirkt sie auf die Sterne ein, was sich in deren Geschwindigkeiten äußert. Doch über die Menge der Dunklen Materie gehen die Meinungen auseinander: Unterschiedliche Modelle besagen, dass sie fünf- bis zehnmal so viel Masse besitzt wie alle Sterne zusammen. Gaias Geschwindigkeitsmessungen werden diese Modelle erheblich verbessern.

Aus der Fülle von Informationen wollen Astrophysiker auch mehr über die Entstehung und Entwicklung der Milchstraße erfahren. Diese hat offenbar im Lauf der vergangenen Jahrmilliarden kleinere Sternsysteme, die in den Bann ihrer Schwerkraft gerieten, aufgesogen und vereinnahmt (bild der wissenschaft 5/2001, „Unsere kannibalische Milchstraße”). Astrophysiker erkennen dies an Sterngruppen, deren Mitglieder sich auf identischen Bahnen um das Zentrum bewegen. Solche Sternströme lassen sich nur sehr schwer aufspüren, weil sie sich über den gesamten Himmel ziehen. Doch Gaia wird in der Lage sein, sie zu identifizieren.

Das Teleskop wird langsam um die eigene Achse rotieren – mit dem Ziel, den jeweils im Blickfeld befindlichen Teil des Himmels auf die aus 106 CCD-Chips zusammengesetzte Megapixel-Kamera abzubilden, die einen halben mal einen Meter misst. Zu jedem Zeitpunkt ziehen viele Zehntausend Bilder von Sternen über den Detektor und werden dabei kontinuierlich vermessen. Zusätzlich wird das Licht der rund 100 Millionen hellsten Sterne in seine Spektralfarben zerlegt. Dadurch können die Astronomen die chemische Zusammensetzung der Sterne ermitteln.

Gaias Messungen werden nicht nur Sternströme im Innern der Milchstraße ausfindig machen, sondern auch die Bewegungen der beiden Magellan’schen Wolken messen. Dadurch wird sich vielleicht endlich deren ominöse Geschichte aufklären lassen. Die beiden Magellan’schen Wolken sind nämlich untereinander und mit der Milchstraße durch ein Band aus Wasserstoff-Gas verbunden. Die Ursache dieses Magellan’schen Stroms ist bis heute ungeklärt. Er könnte auf eine nahe Begegnung der beiden Sternsysteme zurückgehen – vielleicht hat seine Entstehung aber auch mit dem Einfluss der Milchstraße auf die beiden Begleitgalaxien zu tun.

Ein Gewaltiger Datenstrom

Im Halbjahrestakt erfasst Gaia den gesamten Himmel. Im Laufe der auf fünf Jahre veranschlagten Mission wollen die Forscher jeden Stern an die 100 Mal vermessen. Die erwartete Datenrate von einer Million Gigabyte ist so groß, dass man für ihre Speicherung 200 000 DVDs benötigte.

Astronomen in ganz Europa bereiten sich auf diesen gewaltigen Datenstrom vor. Acht Projektgruppen widmen sich unterschiedlichen Aspekten. In der Schweiz leitet Laurent Eyer vom Observatorium Genf eine Gruppe, die nach Sternen mit periodisch variierender Helligkeit sucht. Unter diesen vielleicht 100 Millionen Veränderlichen werden sicher auch einige Sterne sein, deren Helligkeitsvariation auf die Existenz von Exoplaneten zurückgehen.

Einige Tausend Exoplaneten

Obwohl Gaia nicht für die Suche nach Exoplaneten konzipiert ist, rechnen die Astronomen mit der Entdeckung einiger Tausend von ihnen. „Der Gaia-Katalog wird eine Unmenge an Himmelskörpern identifizieren, die wir dann gezielt mit anderen Teleskopen studieren können”, freut sich Eyer.

Wegen der hohen Präzision von Gaias Messungen fällt sogar die Raumkrümmung als Messfehler ins Gewicht. Die Forscher müssen sie in ihren Berechnungen berücksichtigen. Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie verbiegt jede Art von Materie den Raum. Und weil Lichtstrahlen den Dellen und Beulen des Raumes folgen müssen, breiten sie sich nicht geradlinig aus. Das hat zur Folge, dass die wahren Sternpositionen von den gemessenen leicht abweichen, wenn sich die Sterne relativ nahe an der Sonne befinden. Auf diese Weise gelang es Astronomen 1919 erstmals, die Raumkrümmung nachzuweisen.

Unter der Leitung von Sergei Klioner von der TU Dresden entstand ein Programm, das die relativistischen Effekte von Sonne und Mond sowie den Planeten berücksichtigt. „Nur Merkur konnten wir vernachlässigen, weil er sehr klein ist und sich immer sehr nahe an der Sonne aufhält”, erklärt Klioner.

Gaia misst in Abständen von mindestens 45 Grad von der Sonne. Klioners Modell dient zunächst dazu, die Messdaten um den relativistischen Störeffekt durch die Raumkrümmung zu korrigieren. Gleichzeitig wird das Modell verwendet, um Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu testen: Rund 70 Mal wird der Planet Jupiter in Gaias Blickfeld geraten, und die von ihm erzeugte Raumkrümmung wird die Positionen naher Sterne um einen winzigen Betrag verschieben. Diesen Effekt wollen die Astronomen zehnmal so genau messen wie bislang möglich. „ Dafür müssen wir sogar den Einfluss der vier Galilei’schen Jupitermonde berücksichtigen”, erklärt Klioner.

Relativitätstheorie im Test

Auch weitere, wesentlich kleinere Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie stehen auf dem Prüfstand. Sie haben ihre Ursache zum einen darin, dass Jupiter nicht kugelförmig, sondern abgeplattet ist. Zum anderen entstehen durch die Bewegung Jupiters um die Sonne sogenannte gravitomagnetische Felder, die Astronomen jetzt erstmals präzise nachweisen wollen.

Gaias Sternkatalog wird in mehreren Etappen erscheinen. Mit der ersten Ausgabe rechnen die Astronomen Mitte 2017, die endgültige Version soll 2022 vorliegen. Da kein Nachfolgeprojekt geplant ist, dürfte Gaias Vermächtnis maßgeblich für die Astronomie der nächsten Jahrzehnte werden. ■

THOMAS BÜHRKE, promovierter Physiker und regelmäßiger bdw-Autor, hat sich Gaia bei Astrium in Toulouse genau angeschaut.

von Thomas Bührke