Gaia (Satellit)

Künstlerische Darstellung des Gaia-Satelliten

Skizze des Gaia-Satelliten nach den Maßen aus diesem Artikel erstellt

Der Astrometrie-Satellit Gaia ist eine geplante astronomische Weltraum-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), mit der rund 1 Prozent der Sterne unserer Milchstraße astrometrisch, photometrisch und spektroskopisch mit sehr hoher Präzision vermessen werden soll. Gaia ist Nachfolger der Hipparcos-Mission der ESA in den 1980er Jahren, die einhunderttausend Sterne mit hoher Präzision und über eine Million Sterne mit geringerer Genauigkeit katalogisierte, und soll insgesamt eine Milliarde Sterne mit bis dahin unerreichter Genauigkeit kartographisch erfassen.

Der Name Gaia leitet sich ab von dem Akronym für „Globales Astrometrisches Interferometer für die Astrophysik“. Er kennzeichnet die ursprünglich für dieses Teleskop geplante Technik der optischen Interferometrie. Inzwischen hat sich zwar das Messprinzip geändert, sodass das Akronym nicht mehr zutrifft. Trotzdem bleibt es bei dem Namen Gaia, um die Kontinuität in dem Projekt zu gewährleisten.

Wissenschaftliche Ziele

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.

Die Positions- und Parallaxengenauigkeit wird für helle Sterne (bis 15mag) besser sein als 25µas (1µas = 10⁻⁶ Bogensekunden) und bei den schwächsten Sternen (bei 20mag) auf rund 300µas abfallen. Selbst dieser Wert von 0,3 Millibogensekunden ist noch besser als die bisher genauesten Messungen an sehr hellen Sternen (durchgeführt im Rahmen der Hipparcos-Mission, 0,5–2 Millibogensekunden). 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 Erkenntnissen über den inneren Aufbau, die Entstehung und Entwicklung von Sternen.

Eine mögliche zeitliche Änderung der Gravitationskonstante G, (genauer: dG/dt /G), soll mit einer Genauigkeit von weniger als 10⁻¹³/Jahr erfasst werden. Die relativistische Lichtablenkung durch die Schwerkraft der Sonne soll mit einer relativen Genauigkeit von rund einem Millionstel gemessen werden, 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:

1. Bis zu einer Million Asteroiden und Kometen innerhalb unseres Sonnensystems.
2. Dreißigtausend Planeten außerhalb unseres Sonnensystems.
3. Fünfzigtausend „misslungene“ Sterne, sogenannte Braune Zwerge.
4. Mehrere hunderttausend erloschene Sternüberreste, sogenannte Weiße Zwerge.
5. Zwanzigtausend explodierende Sterne, sogenannte Supernovae.
6. Hunderttausende weit entfernte Aktive Galaxien, sogenannte Quasare.

Kosten

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.

Start

Gaia soll im Mai 2013 mit einer russischen Sojus-Fregat-Rakete vom Europäischen Raumfahrtbahnhof Kourou in Französisch-Guayana gestartet werden.^[1]

Umlaufbahn

Nach dem Start benötigt Gaia ungefähr einen Monat, um ihren Stationierungsort beim Lagrange-Punkt L2 zu erreichen. Der L2-Punkt ist ungefähr 1,6 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, was der vierfachen Mondentfernung entspricht. Dieser gravitative Gleichgewichtspunkt läuft in festem Abstand mit der Erde um die Sonne und ermöglicht einen ungestörteren Blick auf das Weltall als dies von einer Erdumlaufbahn möglich wäre.

Geplante Missionsdauer

Gaia ist für eine fünfjährige Missionsdauer ausgelegt.

Raumfahrzeug

Konstruktion

Die nahezu kreisförmige Anordnung von Solarzellen und "Sonnenschirm" beherrscht das äußere Erscheinungsbild von Gaia. Darüber 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

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.

Masse und Leistungsaufnahme

Beim Start wird Gaia eine Masse von ungefähr 2030 kg haben, wozu die Nutzlast 690 kg beiträgt, und Gaia wird eine Gesamtleistungsaufnahme von 1720 Watt aufweisen, wovon die Nutzlast ungefähr 830 Watt verbraucht.

Industriebeteiligung

Mehrere Industriestudien, die etwa 15 Millionen Euro verbraucht haben, 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 [1].

Hauptinstrumente

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 1,45 m × 0,5 m. Alle Instrumente schauen auf die gleichen um 106,5° getrennten Himmelsabschnitte. Die beiden Gesichtsfelder sind etwa 0,7 auf 1,4 Grad 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 Pixeln.^[2]

Astrometrie

Ein Feld von 62 dieser CCD-Detektoren in einem 7x9-Raster wird die Himmelsobjekte registrieren. Das Detektorfeld wird während der Gaia-Mission die Sternpositionen und die Sternbewegungen am Himmel mit hoher Präzision erfassen.

Photometrie

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

Spektroskopie

Das Radialgeschwindigkeitsspektrometer benutzt dasselbe kombinierte Gesichtsfeld wie das astrometrische und das photometrische Instrument. Es arbeitet mit 12 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

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

Quellen

1. ↑ Gaia. ESA, abgerufen am 22. Mai 2011 (englisch). 
2. ↑ Carme Jordi: The Gaia Focal Plane. In: Gaia: Information sheets: Spacecraft & payload. ESA, 25. August 2009, abgerufen am 25. Juni 2010 (PDF, 259 kByte, englisch). 

Weblinks

 Commons: Gaia – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• EADS Astrium - Gaia
• ESA Overview über Gaia (englisch)
• ESA Factsheet über Gaia (englisch)

• Gaia Homepage der ESA (englisch)
• Gaia Homepage des Astronomischen Rechen-Instituts/ZAH in Heidelberg (englisch)
• GAIA - Satellit für die nächste Astronomengeneration (Astronews)

Raumsonden und Satelliten mit Beteiligung der ESA

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