 
Gaia zu sehen, wie es
auf die Reise geschickt wird
nach all den vielen Jahren der Vorbereitung, das war ein sehr besonderer Moment für mich.
 
Mein glücklichster Moment war Gaia
tatsächlich vom Startplatz
in Französisch-Guayana abheben zu
sehen.
das war eine außergewöhnliche
Erfahrung.
Ich hoffe,
dass ich mich daran erfreuen kann, was die Astronomen der Welt
mit diesem schönen Datensatz, den wir ihnen zur Verfügung stellen,
an wissenschaftlichen Erkenntnissen gewinnen.
Es ist der 19. Dezember 2013.
Am südamerikanischen Himmel über dem Startplatz der europäischen
Raumfahrtagentur ESA in Französisch-Guyana
verschwindet langsam das Leuchten der soeben gestarteten Rakete mit dem
Weltraumobservatorium Gaia.
Ziel der Reise ist ein Bereich um den 1.5 Millionen Kilometer von der Erde
entfernten
sogenannten Lagrangepunkt L2.
In diesem Bereich überlagern sich die Anziehungskräfte von Sonne und Erde so,
dass ein dorthin gebrachter Körper antriebslos und scheinbar
kräftefrei
unserem Heimatplaneten
bei seinem Umlauf um unsere Sonne folgen kann.
Ungestört auch von Erde und Mond
kann der von der gleißend
hellen Sonne abgewandte Teil des Himmels bestens untersucht werden
Ungestört auch von Erde und Mond kann der von der gleißend hellen Sonne abgewandte Teil des Himmels bestens untersucht werden und ein Observatorium wie Gaia hat damit die
Möglichkeit,  während seines  Umlaufs um die Sonne
nach und nach  jeden Teil des Himmels zu beobachten.
Ausgestattet ist Gaia im wesentlichen mit zwei identischen Spiegelteleskopen
mit jeweils einem Hauptspiegel von 145 mal 50 cm Durchmesser,
die gleichzeitig zwei Himmelsgebiete im Abstand von knapp 107 Grad beobachten,
während Gaia sich in sechs Stunden einmal um seine Achse dreht
und so ein vollständiger Streifen am Himmel abgetastet werden kann.
Über 100 CCD-Detektoren empfangen das Licht der registrierten Sterne auf
ca. einer Milliarde Pixel, wobei neben Bildern auch Messungen mit einem Photometer
und einem Spektrographen gemacht werden.
Doch was ist eigentlich die Aufgabe von Gaia?
Gaia ist ein im Dezember 2013 gestartete Satellit mit
der Aufgabe die genauste Karte unserer
Galaxie, der Milchstraße, zu erstellen.
 
In den nächsten fünf Jahren wird Gaia mehrfach den Himmel
durchmustern und dabei alle Objekte observieren,
die heller als Magnitude 20 sind.
Das werden im wesentlichen Sterne unserer Milchstraße sein,
aber auch andere Objekte. Die genaue Anzahl ist nicht bekannt, aber
wird etwa in der Größenordnung von einer
Milliarde liegen. Letztendliches Ziel der Mission ist es, einen hochpräzisen
astrometrischen Katalog zu erstellen
aller dieser beobachteten Objekte.
Aufgabe der Gaia-Mission ist also die Bestimmung der Positionen und Bewegungen der
Sterne im Raum -
die sogenannte Astrometrie.
Sie ist notwendig zur Vermessung unserer kosmischen Heimat,
dem Milchstraßensystem.
Wie Millionen anderer Galaxien besteht unsere kosmische Heimat aus etwa
200 Milliarden Sternen, zahlreichen Sternhaufen,
sowie leuchtenden Gas- und Staubwolken, aus denen neue Sterne und Planeten entstehen –
wie einst unser Sonnensystem vor fast 5 Milliarden Jahren.
Die rotierende, scheibenförmige Struktur unserer Galaxis
hat etwa 100.000 Lichtjahre Durchmesser und ist typisch für
grosse Spiralgalaxien.
Doch um detaillierte Antworten auf viele Fragen zur Struktur, zur Dynamik,
der Vergangenheit und Zukunft unserer Galaxis zu finden,
zum Zusammenspiel der gravitativen Kräfte von Sternen, Gas und Staub
und der geheimnisvollen dunklen Materie
müssen die  Positionen und Bewegungen der Sterne, ihre physikalischen Eigenschaften –
und als entscheidende Basis vor allem ihre Entfernungen im Raum
genau vermessen werden –
und das in möglichst großer Zahl und Reichweite!
Und Gaia wird dazu ca. eine Milliarde Sterne vermessen:
Wir denken, dass diese eine Milliarde Sterne eine repräsentative
 
Untermenge der gesamten galaktischen Population der Milchstraße darstellen.
Diese fünf Größen
jedes Sterns – plus die Radialgeschwindigkeit –
ergeben uns eine sechs-dimensionale Karte,
aus der zunächst mal ganz elementare Eigenschaften über Struktur
und Dynamik abgeleitet werden können.
Diese Information wird uns sehr viel lehren – hauptsächlich über die Milchstraße - also dieses Systems
von 100 bis 200 Milliarden Sternen, dem die Sonne als ein Mitglied angehört –
über die Geschichte, den Aufbau, die Entstehung und die Funktionsweise dieses Systems.
Aber darüber hinaus wird es auch sehr viel lehren über die Sterne selbst –
über die einzelnen Sterne
und deren Entwicklung und inneren Aufbau
und über viele, viele weitere Fragen aus der Astronomie.
Zum Beispiel die Frage, wie viel Spiralarme unsere Galaxie eigentlich hat
oder wie sich die Komponenten relativ zueinander bewegen.  Das werden wir wahrscheinlich
beantworten können mit den Gaia-Daten.
Um all diese Daten aus den Messungen von Gaia zu erhalten,
benötigt man AGIS. AGIS steht für Astrometric Global Iterative Solution.
Mit Hilfe von AGIS werden die Positionen,
die jährliche Bewegung eines Sterns am Himmel,
und die sogenannte Parallaxe – das ist ein Maß für die Entfernung –
bestimmt. Und das für 1000 Millionen Sterne mit bisher unerreichbarer Genauigkeit.
Doch bei AGIS handelt es sich nicht etwa um ein Gerät,
was diese Aufgabe durchführt, sondern um ein Verfahren.
AGIS ist das Verfahren,
wie wir die Milliarden Teile an
Information, die wir vom Satelliten
erhalten zu einer Karte der Galaxis
zusammenbauen. Sie können sich das wie
ein gigantisches Puzzle vorstellen, wo hunderte von  Milliarden Einzelteilen
präzise zusammengesetzt werden müssen,
bevor man das Gesamtbild erkennt.
 
Das Zusammensetzen dieses gigantischen Puzzles
ist also ein aufwändiger Prozess, der über die Jahre und parallel zu den
permanent von Gaia gelieferten Daten stattfinden muss
und deshalb regelmässige Meetings und Konferenzen
der beteiligten Wissenschaftler wie in Heidelberg erfordert.
AGIS ist ein großes Programm, ein mathematisches Verfahren außerdem,
 
dass aus den vorbearbeiteten Rohdaten – Rohmessungen von Gaia –
die angepeilten Eigenbewegungen, Positionen, Entfernungen
von den beobachteten 1000 Millionen Sternen macht – letztendlich.
Es ist ein sehr komplizierter Prozess, der
insbesondere die Bewegung von Gaia im Raum über die
fünf Jahre sehr genau modellieren muss
und auch die Geometrie von Gaia intern, des Teleskops
sehr genau bestimmen muss.
Gaia eröffnet eine völlig neue Ära bzgl. Quantität und Qualität
in einem Bereich der Astronomie, der schon immer eine extreme Herausforderung war –
die Entfernungsbestimmung von Sternen.
Denn selbst über Generationen hinweg scheinen sich die Sternbilder nicht zu verändern.
Dass sich die sogenannten Fixsterne jedoch tatsächlich mit mehreren
Kilometern pro Sekunde im Raum bewegen, bemerkt man ohne extrem genaue
Messungen jedoch nicht,
denn selbst der nächste Stern ist bereits etwa vier Lichtjahre entfernt  -
und dies entspricht etwa 40 Billionen Kilometern.
Es ist das Jahr 1838:
Erst jetzt –
weit über 200 Jahre nach Beginn der Beobachtungen mit Teleskopen
gelingt Friedrich Wilhelm Bessel an 61 Cygni im Sternbild Schwan
die erste Entfernungsbestimmung eines Sterns.
Für seine Messung nutzt er die Parallaxe, unter der man die scheinbare
Ortsverschiebung eines entfernten Objekts versteht, wenn der Beobachter
selbst seine Position verändert.
Es ist also ein perspektivischer Effekt,
der umso deutlicher ist, je größer die Basislänge zwischen den Messpunkten ist,
und umso näher uns das Objekt steht.
Selbst ein relativ naher Stern zeigt nur eine winzige,
aber seit den Zeiten Bessels messbare Verschiebung, wenn man ihn zu
zu verschiedenen Zeitpunkten während eines Jahreslaufs beobachtet.
Der Durchmesser der Erdbahn um die Sonne – 300 Millionen Kilometer - ist in diesem
Fall die maximal mögliche Basis.
Trotzdem handelt es sich um winzige Winkel, die gemessen werden müssen
und bis vor wenigen Jahrzehnten lag die maximale Reichweite dieser Methode
bei etwa 1000 Lichtjahren.
Eine erhebliche Verbesserung trat erst 1989 mit dem Astrometriesatelliten
HIPPARCOS ein,
der 100000 Sterne vermessen hat.
Gaia wird eine Milliarde Sterne messen und dies mit einer unglaublichen Präzision.
Doch was heißt „Präzision“ in diesem Zusammenhang eigentlich?
Das ist jetzt für einen Laien gar nicht so einfach zu sagen oder vorzustellen.
Die Positionsgenauigkeit typischerweise ist 20 Mikrobogensekunden und
mit der gleichen Genauigkeit wird auch die jährliche Bewegung und die Parallaxe –
also dieses Entfernungsmass – bestimmt.
Das ist die Größe,
dieser Winkel, auf den wir das genau bestimmen, das ist die Grösse
einer Münze auf dem Mond, also einer Euro-Münze zum Beispiel, von der Erde
aus gesehen.
D.h. also, wenn man eine Lichtquelle, eine starke Taschenlampe auf
den Mond stellen würde und würde sie um zwei, drei Zentimeter verrücken,
dann würde Gaia mit seiner Messgenauigkeit das im Prinzip
feststellen können.
Das Erreichen dieser kaum vorstellbaren Genauigkeit ist jedoch äußerst aufwändig
und am Rande des technisch Machbaren, denn:
Da sind zunächst einmal
extreme Anforderungen an das Raumfahrzeug und an die Instrumente an Bord.
Die müssen sich zum Beispiel sehr, sehr gleichmässig
drehen – das ganze Raumfahrzeug
einmal in sechs Stunden – aber ganz, ganz gleichmässig.
Dann muss die Temperatur innerhalb des
Raumfahrzeugs und insbesondere des Teleskops
auf weit unter einem Tausendstel Kelvin genau konstant sein über viele Tage.
Und um das ein bisschen zu veranschaulichen: Wir müssen in jeder
Millisekunde der fünf Jahre, die Gaia misst,
die Orientierung des Instruments - des drei Meter grossen Instruments –
auf einige Dutzend Atomdurchmesser genau im Raum bestimmen.
Und auch die relative Lage der Spiegel zueinander
und der einzelnen CCD-Detektoren zueinander
auf wenige
Dutzend Atombereich Meter genau.
Sogar äußerst exotisch erscheinende Effekte dürfen nicht außer Acht gelassen werden:
Zum Beispiel ist die relativistische Lichtablenkung aufgrund der Präsenz
der Sonne und der großen Planeten in unserem Sonnensystem
wichtig und muss berücksichtigt werden.
D.h. jene Ablenkung eines Lichtstrahls im Schwerkraftfeld von Objekten,
die entsteht, weil deren Massen den Raum krümmen –
ein Effekt, der angesichts der geringen Massen im Sonnensystem zu winzig ist,
um bei Messungen normalerweise eine Rolle zu spielen.
Doch nicht so bei den Messungen von Gaia.
Sie sind eine Herausforderung ersten Ranges.
Grundsätzlich versuchen wir hier etwas
hundert mal besser zu tun als es
bisher jemals gemacht worden ist.  Und das
heisst nicht dass wir nicht exakt genau
wissen, wie sich das Material bei dieser
Genauigkeit verhält.
Eine Herausforderung sowohl für die Technik,
als auch für die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die -
wie bei ihrem Meeting in Heidelberg- weiter versuchen werden, bis zum Ende der Messzeit
in knapp vier Jahren ihre hochgesteckten Ziele zu erreichen.
Die ersten Ergebnisse, die wir heute und
gestern hier gesehen haben,
entsprechen unseren Erwartungen. Das ist alles sehr erfreulich. Sie sind noch weit
von dem ab, was wir einmal erreichen wollen,
aber sie liegen in dem Bereich, den wir im Moment
mit unserer jetzigen Kenntnis des Instruments
und des Raumfahrzeugs erreichen können.
Und wir sehen Anzeichen, dass die Messgenauigkeit –
die eigentliche Messgenauigkeit, die wir nachher noch eichen müssen –
tatsächlich in dem Bereich liegen,
der vorher verlangt war und den wir anstreben.
Diese 20 Mikrobogensekunden werden wir erreichen!
