Die ESA-Raumsonde Gaia hat gute Chancen auf einen – vielleicht sogar länger währenden – Spitzenplatz im Wettrennen um die meisten Superlative in der Weltraumforschung. In Kourou laufen derzeit die vorbereitenden Arbeiten zum Zusammenbau von Trägerrakete und Nutzlast. Der oft verschobene Starttermin ist inzwischen am 20. November 2013 angekommen.
Ein Beitrag von Roland Rischer. Quelle: ESA-Bulletin 155, ESA-Gaia-Blog, Astrium, DLR, Raumcon.
Wenn man eine Mission zur Himmelskartographie nach der griechischen Erdgöttin benennt, bedarf es schon einiger intellektueller Anstrengung, dies zu begründen. Selbst die ursprüngliche Bedeutung von „GAIA“ als Abkürzung für „Global Astrometric Interferometer for Astrophysics“ liefert wenig bis keine Bezüge zur Erde. Spätestens seit klar war, dass die vor Jahren angedachte optische Interferometertechnik an Bord nicht zum Zuge kommt, entfiel auch dieser Grund für die Namensgebung. Um keine Verwirrung zu stiften …, äh, nein, stopp, besser: Um keine kostenträchtigen Kommunikationsmaßnahmen hervorzurufen, wollte man vom Namen dennoch nicht abrücken. Aus der Großschreibung „GAIA“, allgemein Indiz für eine Abkürzung, wurde das normal geschriebene Wort „Gaia“.
Die Herstellung einer Brücke zwischen Namen und Mission bleibt damit immer noch eine Herausforderung. Vielleicht gelingt es der ESA in den restlichen Tagen bis zum Start im November doch noch, einen Altphilologen zu bemühen, der der Weltraumgemeinde beispielsweise eine weitgehend unbekannte Rolle der mythologischen Figur Gaia bei der Entstehung des Himmels erläutert. Oder vielleicht sollte die ESA noch schnell einen Wettbewerb starten, auf welche Wortkombination Name und Auftrag passen.
Spaß beiseite. Wenn mit Gaia einige Exoplaneten zu finden sind, wäre der Name durchaus gerechtfertig. Die Fähigkeit, feinste Taumelbewegungen eines Sterns zu registrieren und daraus auf Planeten mit zumindest Jupiter-Masse schließen zu können, ist Gaia ja mitgegeben. Man rechnet mit einer vier-, eher mit einer fünfstelligen Zahl. Planetenjagd ist aber nicht Primäraufgabe, eher, wenn man so will, die Sternenjagd.
Zehnwöchige Startkampagne
Gaia wurde am 23. August 2013 in einer Antonow 124 vom Hersteller Astrium SAS in Toulouse nach Französisch-Guayana überführt. Bereits vor längerer Zeit wurden in Toulouse Akustik- und Vibrationstests durchgeführt sowie die Dichtigkeit des Treibstoffsystems und das thermische Verhalten überprüft.
(Bild: Astrium SAS)
Die extrem sensible Sonde befindet sich in Kourou inzwischen in der auf zehn Wochen angesetzten engeren Startvorbereitungsphase. Der charakteristische Sonnenschutz ist Hauptgrund für die ungewöhnlich lange Startkampagne. Sonde und Sonnenschutz wurden aus Platzgründen getrennt nach Kourou geliefert. Nachdem Gaia im Integrationsgebäude S1B nach der Ankunft zuerst die übliche Prüfung von Antrieb und elektrischen Systemen durchlief, wird nun der Sonnenschutz installiert und dann ausgiebig getestet. Letzte Tests der Stromversorgung liefen in der Woche ab 9. September. In der gleichen Woche begannen die Vorbereitungen zum Anbau des Sonnenschutzes. Da der Sonnenschutz einen Durchmesser von 10 Metern hat, bedarf es einer Halle mit innen mindestens 12 Metern Seitenlänge, um genug Freiraum für den Schirm und das notwendige technische Equipment zu haben. Das bietet S1B. Der aufwendige Faltmechanismus für den Schutz aus zwölf Lagen Folie ist zwar schon in Toulouse intensiv geprüft worden, man will bei diesem für die Mission essentiellen Bauteil aber keine Risiken eingehen und vertraut erst zufriedenstellenden Testergebnissen vor Ort in Kourou.
Nach Abschluss der Sonnenschutztests wird Gaia in einem klimatisierten, mobilen Reinraum-Container in das Gebäude S5B transportiert. Dort erfolgt nach Betankung und Druckbeaufschlagung das Aufsetzen der Sonde auf den Oberstufen-Adapter. Sonde mit Adapter werden sodann in das Gebäude S3B gefahren, wo der Zusammenbau mit der bereits betankten Fregat-MT-Oberstufe und die Einhausung mit der Nutzlastverkleidung erfolgt. Ab da ist die Sonde nicht mehr zugänglich und ihr Zustand nur noch visuell und über die elektrischen Verbindungskabel zu prüfen.
Vier Tage vor dem Start werden Oberstufe und Nutzlast zum Startplatz gebracht, wo die vorgesehene Sojus-Rakete bereits unter einem mobilen, geschlossenen Montageturm wartet. Dort wird Gaia auf die dritte Stufe der Sojus aufgesetzt.
Mehr als nur Positionsmessungen
Nach dem Start voraussichtlich am 20. November 2013 wird Gaia gut einen Monat später am Lagrange-Punkt 2 ihre Arbeit aufnehmen. Der L2-Punkt liegt von der Sonne aus gesehen in der Verlängerung Sonne-Erde rund 1,5 Millionen Kilometer „hinter“ der Erde. An diesem Punkt heben sich die Zentrifugalkraft der um die Sonne kreisenden Sonde und die Anziehungskraft von Sonne plus Erde auf. Der Gleichgewichtspunkt bietet, wegblickend von der Sonne, optimale Voraussetzungen für die Beobachtung des Universums. Gaia wird über fünf Jahre rund eine Milliarde Sterne der Milchstraße in einer nie dagewesenen Präzision messen. Damit sind zwar nur rund ein Prozent der Milchstraßensterne erfasst, das reicht aber für einen Quantensprung in der Himmelskartographie.
Die Datenausbeute wird gigantisch sein. Die Schätzungen der zu erwartenden Neuentdeckungen sind zwar grob. Sie wird statistisch aus der Menge der potenziell erfassbaren Daten abgeleitet. Selbst wenn restriktive Prämissen in die Schätzungen einfließen, reicht es für etliche Superlative, vielleicht auch für einige Zeit für den Titel „Mission mit den meisten Superlativen“. Neben Sternen sollen bislang unentdeckte Himmelskörper im Sonnensystem und an seinem Rand erfasst werden. Man verspricht sich neben einem Schub bei der Entdeckung von Exoplaneten auch neue Erkenntnisse über Sterngeburten, Sternleichen, Supernovae, Quasare und Schwarze Löcher in den Zentren anderer Galaxien. Ein genaues dreidimensionales Modell der Milchstraße und ihrer näheren Umgebung, in dem sich auch die zeitlichen Abläufe exakter als bisher nachvollziehen lassen, ist ein weiteres Ziel. Antworten erhofft man sich auch auf die Frage, welche Sternengruppen aufgrund ihrer Bewegungen oder Anomalien die Hinterlassenschaften anderer, von der Milchstraße eingefangener Galaxien sind. Nicht zuletzt eignet sich die Messgenauigkeit für experimentelle Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Die Distanzen zu den Sternen wird Gaia mit Hilfe des Parallaxenverfahrens messen. Für rund 99 Prozent der gemessenen Sterne ist die Entfernung noch nie exakt ermittelt worden. Neben der Entfernung werden Helligkeit, Temperatur, chemische Zusammensetzung und Masse ermittelt. Jeder Stern wird in den fünf Jahren durchschnittlich 70 Mal analysiert. Um den gesamten Himmel zu erfassen, wird sich Gaia viermal am Tag um sich selbst drehen. Die Rotationsachse hat eine Präzession mit einer Periode von 63 Tagen. Durch diese sich kontinuierlich verändernde Ausrichtung der Rotationsachse wird das Sichtfeld erweitert.
(Bild: Astrium SAS)
Die zylindrische Gaia hat einen Durchmesser und Bauhöhe von etwas über 3 Metern und ein Gewicht von 2.030 Kilogramm. Auf die astronomischen Gerätschaften – die Nutzlast – entfallen 710 Kilogramm und rund 2 Meter der Zylinderhöhe, auf das Service-Modul 920 Kilogramm und auf den mitgeführten Treibstoff 400 Kilogramm. Die Nutzlast besteht aus zwei Teleskopen und drei wissenschaftlichen Instrumenten. Sie sind auf einem extrem verformungsresistenten Keramik-Träger aus Siliziumkarbid montiert. Kern der astronomischen Technik ist ein Bilddetektor mit fast einer Milliarde Pixel auf einer Fläche von 0,38 Quadratmetern. Er ist aus 106 CCD-Detektoren (Charge-coupled Device) zusammengesetzt. Das Licht wird über zwei Spiegel mit unterschiedlicher Ausrichtung eingefangen. Die von ihnen beobachteten Himmelsabschnitte liegen 106,5 Grad auseinander. Daher wird auch von zwei Teleskopen gesprochen, die aber letztlich mit einem Detektor in der Brennebene arbeiten. Der Detektor hat unterschiedliche Felder für die astrometrischen, photometrischen und spektroskopischen Analysen. In der Sonde legt ein Lichtstrahl durch Umlenkungen 35 Meter zurück, bevor er auf den Detektor trifft. Gegenüber dem menschlichen Auge können 400.000-mal lichtschwächere Objekte registriert werden.
Mit dem Astrometer wird nicht nur die Position und in Verbindung mit dem Parallaxenverfahren die Entfernung bestimmt, durch wiederholte Messungen über die fünfjährige Missionsdauer wird auch die Geschwindigkeit ermittelt, mit der sich jeder der Sterne durch den Raum bewegt. Die Distanz der nächsten Sterne wird mit einer bislang einzigartigen Genauigkeit von plus/minus 0,001 Prozent berechnet. Die Bewegung eines Sterns von der Sonde weg oder auf sie zu, die Radialgeschwindigkeit, kann so nicht ermittelt werden. Die Radialgeschwindigkeit der hellsten rund 100 Millionen Sterne (je nach Quelle auch mal 200 Millionen) wird von Gaia durch Messung der spektroskopischen Dopplerverschiebung im Licht der Sterne ermittelt. Durch die photometrische Analyse können Aussagen zu Temperatur, Masse und wesentliche chemischer Elemente der helleren Sterne gemacht werden – ebenfalls 100 Millionen und mehr.
Der Sonnenschutz wird den astronomischen Instrumenten ständig Schatten bieten. Die Temperatur im Nutzlast-Modul wird damit nahezu konstant bei minus 110 Grad Celsius gehalten, Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Arbeit von Gaia. Ab 2014 werden erste Zwischenergebnisse verfügbar sein. Die endgültigen Ergebnisse dürften laut Deutschem Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) erst 2021 vorliegen.
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