Vermessung der Milchstraße

Die Fundamentalmission der Astronomie

Von Sibylle Anderl
24.06.2022
, 14:15
Farblich dargestellt sind hier die radialen Geschwindigkeiten von mehr als 30 Millionen Objekten der Milchstraße. Helle Bereiche bewegen sich von uns weg, dunkle auf uns zu. Sichtbar wird so die projizierte Rotation der Scheibe. Die hellen Flecken im unteren Bereich sind die Magellanschen Wolken.
Die Gaia-Mission der ESA liefert Informationen über Milliarden von Sternen. Das hilft uns, unsere Milchstraße besser zu verstehen – aber das ist keinesfalls alles.
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Das Versprechen der europäischen Gaia-Mission war kein kleines gewesen. Nichts Geringeres, als unser Verständnis der Milchstraße zu revolutionieren, war das Vorhaben, als das Weltraumobservatorium 2013 zum rund 1,5 Millionen Kilometer entfernten Lagrange-Punkt L2 des Systems Sonne-Erde-Mond geschickt wurde. Drei Jahre später, als die europäische Raumfahrtorganisation ESA im September 2016 die ersten Daten präsentierte, hatte der Projektwissenschaftler Timo Prusti die Besonderheit dieser Aufgabe noch einmal in Worte gefasst: Unsere Galaxie zu beobachten sei gleichermaßen einfach und schwierig. Einfach, denn wo immer man am Himmel hinschaue, seien ihre Sterne zu sehen. Schwierig, denn da wir uns mitten in ihr befänden, müsse man auch wirklich alle Objekte in jeder Richtung sorgfältig untersuchen, um ein vollständiges Bild zu gewinnen. Die Bestätigung aus eigener Anschauung fällt leicht: Wenn wir in dunklen Nächten das Band der Milchstraße am Himmel sehen, erscheint es alles andere als offensichtlich, dass dieses in Wirklichkeit eine von der Seite gesehene Scheibe mit Spiralarmen und allerlei Strukturen ist. Gaias Hauptaufgabe war und ist, die dreidimensionalen Positionen und Bewegungen mehrerer Milliarden Sterne unserer Galaxie zu ermitteln und uns damit gewissermaßen einen Blick von außen auf unsere Milchstraße zu eröffnen – eine Perspektive also, die uns in direkter Weise niemals möglich sein wird.

Die erste, noch unvollständige Datenveröffentlichung aus 14 Monaten Beobachtung hatte bereits gezeigt, dass Gaia das Versprechen würde einhalten können. Die ersten Ergebnisse zur Struktur und Geschichte unserer Milchstraße auf der Grundlage der Entfernungen und Eigenbewegungen von rund zwei Millionen Sternen waren bereits so außerordentlich und auch vielfältig, dass Astronomen um die Niederländerin Amina Helmi ihre erste galaktische Gaia-Studie als „Schachtel voller Schokolade“ betitelten: Für fast jeden astronomischen Geschmack war etwas dabei. Sie und ihre Kollegen hatten in den Daten Hinweise gefunden, dass die alten Sterne im Halo der Milchstraße, dem kugelförmigen Bereich um die galaktische Scheibe herum, unserer Galaxie einst im Zuge der Verschmelzung mit anderen Galaxien zugeführt worden waren.

Die Farben markieren die radialen Bewegungen der Sterne, in dieser Karte sind es 26 Millionen. In blauen Bereichen bewegen diese sich durchschnittlich auf uns zu, in roten von uns weg. Die Linien markieren zusätzlich die Eigenbewegungen der Sterne an der Himmelssphäre.
Die Farben markieren die radialen Bewegungen der Sterne, in dieser Karte sind es 26 Millionen. In blauen Bereichen bewegen diese sich durchschnittlich auf uns zu, in roten von uns weg. Die Linien markieren zusätzlich die Eigenbewegungen der Sterne an der Himmelssphäre. Bild: ESA

Das Geschmacksspektrum wurde im zweiten Datenrelease 2018 dann noch einmal deutlich ausgeweitet. Die Anzahl der hinsichtlich ihrer Position im Raum und ihrer Eigenbewegung an der Himmelssphäre bestimmten Quellen war von zwei Millionen auf mehr als eine Milliarde gesteigert worden, außerdem gab es für einen Teil der Quellen zusätzliche Informationen wie die Radialgeschwindigkeit parallel zur Sichtlinie oder deren Helligkeit und Farbe. Im Dezember 2020 folgte dann die „frühe“ dritte Datenveröffentlichung mit noch einmal gesteigerter Anzahl stellarer Quellen und präziseren astrometrischen Daten. Auf den vollständigen Datenschatz aus 34 Monaten Beobachtungen mussten Astronomen weltweit aber noch weiter warten – bis jetzt.

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Eine unglaubliche Menge von Informationen

„Diese Veröffentlichung enthält nun wirklich alles, was Gaia beobachtet hat“, sagte Timo Prusti auf der Pressekonferenz der ESA zum dritten Datenrelease am 13. Juni. Antonella Vallenari, stellvertretende Vorsitzende des Konsortiums für die Gaia-Datenbearbeitung und -analyse (DPAC), führte das noch genauer aus: „Wir liefern eine unglaubliche Menge und Qualität von Informationen.“ Kataloge von Doppelsternsystemen und veränderlichen Sternen seien enthalten, zudem charakteristische Eigenschaften der Sterne wie deren Temperaturen, Alter oder chemische Zusammensetzung. Die Karte der sogenannten Radialgeschwindigkeiten der Sterne, also der Bewegungen auf den Beobachter zu oder von ihm weg, sei die vollständigste jemals gemessene. All das sei „eine Goldmine für die Astronomie“.

Aus den Spektren der Sterne kann man auf die Existenz von Staub im interstellaren Medium schließen. Diese Karte zeigt die Staubverteilung, wie sie au8s der Stärke der Absorption von Sternenlicht folgt. Der meiste Staub ist in der Scheibe zu finden (rot), außerhalb ist er dagegen kaum vorhanden.
Aus den Spektren der Sterne kann man auf die Existenz von Staub im interstellaren Medium schließen. Diese Karte zeigt die Staubverteilung, wie sie au8s der Stärke der Absorption von Sternenlicht folgt. Der meiste Staub ist in der Scheibe zu finden (rot), außerhalb ist er dagegen kaum vorhanden. Bild: ESA

Das erste Konzept für die Mission war der ESA 1993 von Lennart Lindegren und Michael Perryman unterbreitet worden. Im selben Jahr war die Hipparcos-Mission zu Ende gegangen, auf die Gaia aufbauen sollte. Der Hipparcos-Satellit hatte der Astrome­trie, die sich mit den Positionen und Bewegungen der Himmelskörper befasst, einen massiven Schub gegeben. Eine dreidimensionale Rekonstruktion der Objekte im Kosmos ist eine enorme Herausforderung, die Beobachtungen mit hoher räumlicher Auflösung voraussetzt. Um in der näheren kosmischen Umgebung die Entfernung von Himmelskörpern zu bestimmen, nutzt man die Methode der Parallaxe. Das Prinzip dabei ist einfach: Wenn die Erde sich um die Sonne bewegt, führt das zu einer scheinbaren Bewegung naher Sterne an der Himmelssphäre. Dabei durchlaufen diese eine Ellipse. Deren große Halbachse, die Parallaxe, ist umso kleiner, je weiter entfernt sich die Lichtquelle befindet. Aus ihr kann die Entfernung der Quelle direkt bestimmt werden.

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Entfernungsmessung aus dem All

Die Positionsgenauigkeit ist für Beobachtungen von der Erde aus aber durch die Unruhe der Atmosphäre begrenzt, für Quellen, die weiter als rund 100 Lichtjahre entfernt sind, funktioniert die Parallaxenmessung daher nicht mehr. Da Hipparcos aus dem All beobachtete, war seine Genauigkeit um etwa zwei Größenordnungen besser, seine Distanzmessungen reichten deutlich weiter als die erdgebundenen. Von mehr als 100.000 Sternen bestimmte der Satellit schließlich Position und Bewegung. Außerdem durchmusterte Hipparcos erstmalig den gesamten Himmel und konnte so eine zusammenhängende Vermessung aller Quellen liefern, wo vorher die Beobachtungsfelder einzelner Teleskope aufwendig zusammengefügt werden mussten. Schließlich erlaubte Hipparcos durch die Nutzung zweier in verschiedene Richtungen schauender Teleskope eine absolute Bestimmung der Parallaxen, wo diese vorher meist nur relativ zu benachbarten anderen Quellen gemessen wurden. Um schließlich auch die Helligkeit der Quellen zuverlässig bestimmen zu können, hatte Hipparcos ein Photometer an Bord.

Gaia kann hochaufgelöste Spektren aufnehmen und aus den darin vorhanden Absorptionslinien auf die Chemie der Sterne schließen. Diese wiederum verrät deren Geburtsort und ihre Geschichte. Die Farbe zeigt hier den Anteil schwerer Elemente. Rote Punkte markieren Sterne mit hoher Metallizität: Sie bestehen aus Gas, das von früheren Sternengenerationen chemisch verändert wurde.
Gaia kann hochaufgelöste Spektren aufnehmen und aus den darin vorhanden Absorptionslinien auf die Chemie der Sterne schließen. Diese wiederum verrät deren Geburtsort und ihre Geschichte. Die Farbe zeigt hier den Anteil schwerer Elemente. Rote Punkte markieren Sterne mit hoher Metallizität: Sie bestehen aus Gas, das von früheren Sternengenerationen chemisch verändert wurde. Bild: ESA

All diese Vorteile hat Gaia übernommen, liefert dazu aber eine noch höhere räumliche Auflösung und Empfindlichkeit, Photome­trie in verschiedenen Wellenlängenbereichen und hochaufgelöste Spektren zur Bestimmung von Radialgeschwindigkeiten, die bei Hipparcos fehlten. Zunächst war das Instrument als Interferometer geplant – es sollten also die Beobachtungen mehrerer Teleskope kombiniert werden, um die Detailschärfe zu erhöhen. Dieses Design wurde letztendlich aufgegeben und durch eine direkte Abbildung der empfangenen Strahlung auf CCD-Detektoren ersetzt. Das „i“ im Namen zeugt aber noch von der ursprünglichen Idee. Die ESA bestätigte im Jahr 2000 Gaia als Mission hoher Priorität, 2013 wurde sie gestartet. Neben dem astrometrischen Instrument hat Gaia zwei Photometer, eines in einem blauen und eines in einem roten Wellenlängenbereich, mit an Bord. Diese Farbmessungen erlauben es, die beobachteten Sterne hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie Temperatur, Metallizität oder ihres Alters zu charakterisieren. Schließlich nutzt Gaia noch ein Spektrometer, das ein aufgelöstes Linienspektrum liefert. Dieses gibt Hinweise auf die chemische Zusammensetzung der Lichtquelle. Zudem können anhand des Dopplereffekts außerdem die Radialgeschwindigkeit und die Rotationsgeschwindigkeit der Quellen bestimmt werden.

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Die von Gaia generierten Daten sind daher vielfältig. „Was Gaia charakterisiert, ist nicht so sehr die Menge der Daten, sondern deren Komplexität und die gegenseitige Abhängigkeit“, sagt Coryn Bailer-Jones vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA). Er und sein Team sind Teil des Daten-Konsortiums DPAC. Weitere Standorte in Deutschland sind an der Universität Heidelberg, der Technischen Universität Dresden und am Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam (AIP) angesiedelt. Die jeweiligen Aufgaben sind dabei ganz unterschiedlich. In Potsdam etwa hat man sich mit der Auswertung der Radialgeschwindigkeiten befasst. „Mit dem DR3 sind zum ersten Mal auch Spektren publiziert worden. Da haben wir eine ganz wesentliche Rolle gespielt“, sagt Matthias Steinmetz, wissenschaftlicher Vorstand des AIP. Insbesondere gelang es den Potsdamern, die Daten von regelmäßig wiederkehrendem Streulicht von Glasfaserenden im Sonnensegel zu befreien. Die Spektren seien für ihn schon von Beginn der Mission an eine echte Herzensangelegenheit gewesen, so Steinmetz – auch weil er und seine Kollegen schon seit zwanzig Jahren im Rahmen des RAVE-Surveys an galaktischen Spektren arbeiteten.

Die Heidelberger Wissenschaftler um Bailer-Jones haben dagegen die Software entwickelt, mit der die in den Daten enthaltenen Quellen automatisch klassifiziert werden können. „Gaia beobachtet einfach alles, was da ist“, erklärt Bailer-Jones. „Und die meisten Objekte sind natürlich Sterne.“ Es könnten aber auch ferne Galaxien sein, Quasare oder ganz andere Objekte. Die Klassifikation sei also der erste Schritt. Im zweiten gehe es dann darum, die verschiedenen Parameter der Sterne zu bestimmen: Temperatur, Zusammensetzung, Masse, Alter. Hier komme auch Künstliche Intelligenz zum Einsatz, maschinelles Lernen sei hier sehr nützlich.

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Die Software werde seit Beginn der Mission immer weiterentwickelt, denn mit der Zeit würden die Wissenschaftler auch das Verhalten der Instrumente und damit die Daten immer besser verstehen. Unsicherheiten könnten so immer weiter reduziert werden. Jeder neue Datenrelease bedeute daher, dass auch alle schon früher veröffentlichten Daten noch einmal neu bearbeitet werden. Gleichzeitig gilt: Je mehr Daten es gibt, desto kleiner werden in der Regel die statistischen Fehler. Gaia beobachtet in fünf Jahren jeden Stern etwa siebzigmal. Zwischen den Daten der zweiten und der dritten Veröffentlichung habe es aus diesen Gründen bereits einen deutlichen Qualitätssprung gegeben.

Vergangene Sternbegegnungen

Bailer-Jones freut sich auch aus eigenem Forschungsinteresse auf die neuen Daten. Er interessiert sich dafür, welche Sterne unserer Sonne in der Vergangenheit nahe gekommen sind. Bei solchen Annäherungen könnte die Gravitation fremder Sonnen zu Störungen der Bewegungen der Körper in unserem Sonnensystem geführt haben. Kometen aus der sogenannten Oort’schen Wolke könnten auf diese Weise in Richtung der inneren Planeten abgelenkt worden sein. So ein Befund wäre nicht nur für die Geschichte unseres Sonnensystems interessant, sondern für das Verständnis der Stern- und Planetenentstehung allgemein. „Mit den neuen Daten kann man die Bahnen von sehr viel mehr Sternen zurückverfolgen“, sagt Bailer-Jones. „Das ist das, womit ich anfangen werde, sobald ich die Daten runtergeladen habe.“

Dieses Beispiel für die Nutzung der Gaia-Daten zeigt deutlich: Gaia ist mittlerweile sehr viel mehr als eine Mission, die uns nur hilft, unsere Milchstraße besser zu verstehen. „Gaia ist eine Fundamentalmission“, sagt Matthias Steinmetz, „mehr als vielleicht alle anderen Missionen, die wir bisher hatten.“ Es gibt kaum ein Feld der Astrophysik, das nicht von den Daten profitiert. Das beginnt schon beim Studium unseres Sonnensystems. Gaia hat dort Asteroiden beobachtet – 156 000 sind in den aktuellen Daten enthalten. Und wenn Körper des Sonnensystems Hintergrundsterne verdunkeln, kann Gaia deren Form und mögliche Atmosphären nachweisen und untersuchen. Durch eine präzise Bestimmung der Bahn des transneptunischen Objektes Arrokoth (vormals „Ultima Thule“) half Gaia vor einigen Jahren bereits der Sonde „New Horizons“ bei der Navigation. Und als Gaia jüngst das benachbart kreisende James-Webb-Weltraumteleskop beobachtete, stellte sie fest, dass sie dessen Position um 40 Meter genauer bestimmen konnte, als „Webb“ es selbst vermochte.

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Auch für die Forscher, die sich für die Entwicklung von Sternen und deren Eigenschaften interessieren, sind die Gaia-Daten natürlich eine überaus wertvolle Informationsquelle. Durch die vollständige Erfassung ganzer Sterngenerationen wurden etwa neue Details im sogenannten Hertzsprung-Russell-Diagramm sichtbar. Dort sind Sterne mit Farbe und Helligkeit als Koordinaten eingetragen und werden so nach Entwicklungsstadien aufgefächert. So kann Gaia auch kurzlebige und variable Lebensstadien von Sternen aufspüren. Und dann gibt es auch hier wieder Entdeckungen, mit denen niemand gerechnet hatte. Sternbeben zum Beispiel. Von denen berichtete Conny Aerts von der Universität Leuven bei der ESA-Pressekonferenz. Solche Schwingungen in Sternen führten dazu, dass Gas nach oben und unten bewegt werde, daraus resultierten Helligkeitsschwankungen. Diese erlaubten, ähnlich wie bei Erdbeben, Schlüsse auf das Innere der Sterne, deren Temperatur, Dichte oder Chemie. Gaia habe mehr als 100 000 solcher Sterne entdeckt. Die interessantesten Kandidaten könnten künftig mit Instrumenten wie TESS oder der geplanten Mission PLATO genauer untersucht werden.

Staubverteilung in 3D

Selbst diejenigen Astronomen, die sich statt für die Sterne für das Medium dazwischen interessieren, profitieren von Gaia. Das Licht eines Sterns wird schließlich auf dem Weg ins Teleskop von interstellarem Staub teilweise absorbiert und zu röteren Wellenlängen verschoben. Wenn man das vom Stern erwartete Spektrum mit dem vom Staub modifizierten vergleicht, kann man auf die Gesamtmasse des Staubs in der Sichtlinie schließen. Im Prinzip kann man aus den kombinierten Informationen von Gaia auf diese Weise eine dreidimensionale Staubkarte unserer Galaxie ableiten – ein Projekt, das am Heidelberger MPIA verfolgt wird.

Sogar diejenigen, die sich mit den allergrößten kosmischen Skalen befassen, sind auf Gaia angewiesen. Wenn man wissen will, wie schnell sich unser Universum gegenwärtig ausdehnt, ausgedrückt in der berühmten Hubble-Konstanten H0, kann man das einerseits herausfinden, indem man Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung mit dem kosmologischen Standardmodell vergleicht. Direkter kann man H0 aber messen, indem man untersucht, wie schnell sich Objekte in verschiedenen Entfernungen von uns wegbewegen. Dafür müssen aber die entsprechenden Entfernungen mit hoher Präzision bekannt sein.

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Die Tatsache, dass beide Bestimmungsmethoden der Hubble-Konstante, die kosmologische und die im lokalen Universum bestimmte, miteinander unvereinbare Werte liefern, ist ein prominentes Problem der Kosmologie. Die Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung mithilfe des Planck-Satelliten liefern eine Genauigkeit von H0 im Bereich von einem Prozent. Eine entsprechende Genauigkeit für den lokal gemessenen Wert zu erreichen ist ein Ziel, das Gaia ermöglichen soll. „Astrometrie ist wirklich, wirklich wichtig, aber sie ist auch wirklich schwierig. Was das Gaia-Team bislang geliefert hat, ist einfach erstaunlich. Aber es gibt Grenzen“, sagt Barry Madore von den Carnegie Observatories in Pasadena, der mit seiner Frau Wendy Freedman seit Jahrzehnten an der Bestimmung von H0 arbeitet. Bei der Bestimmung der Parallaxen gebe es noch verschiedene systematische Fehler, die eine genügend präzise Entfernungsbestimmung mittels variabler Sterne, der sogenannten Cepheiden, bislang verhinderten. „Viele dieser Probleme können mit der Zeit gelöst werden, wenn mehr Scans vorliegen und die Wissenschaftler mehr Zeit haben, daran zu arbeiten“, sagt Madore. Bis dahin nutzen er und Freedman Helligkeitsdaten, um relative Entfernungen für Sternhaufen abzuleiten, in denen Cepheiden existieren. Wenn dann für einen dieser Haufen eine sehr präzise Entfernungsschätzung vorliegt, ergeben sich die Werte für alle anderen.

Es gibt noch viele weitere Forschungsthemen, denen mit Gaia nachgegangen werden kann. Da wären etwa noch Exoplaneten, nahe Galaxien und ferne Quasare, die Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie hinsichtlich der Lichtablenkung im Gravitationsfeld und vieles andere. Dass wohl fast jeder Astronom, den man zu Gaia befragt, ein anderes Projekt als besonders interessant hervorhebt, dass also – um im Bild der Schokoladenschachtel zu bleiben – es für jeden eine andere Lieblingspraline gibt, könnte für die öffentliche Wahrnehmung von Gaia indes ein Problem sein. „Gaia geht vielleicht manchmal ein bisschen unter, weil es zu so vielen verschiedenen Feldern beiträgt“, vermutet Coryn Bailer-Jones. „Es ist schwierig, auf ein einziges Ergebnis zu verweisen und zu sagen: Das ist das, was Gaia gemacht hat.“ Dass Gaia aber große Aufmerksamkeit verdient, ist wohl nicht nur für Barry Madore eine eindeutige Tatsache: „Jeder sollte wissen, dass Gaia eine der wichtigsten Missionen des 21. Jahrhunderts ist. Sie ist wirklich revolutionär, da gibt es keinen Zweifel.“

Quelle: F.A.S.
Autorenbild/ Sybille Anderl
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton, zuständig für das Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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