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Helle Himmelskörper in dieser Aufnahme entfernen sich, dunkle kommen auf uns zu. Die Magellanschen Wolken sind als helle Flecken rechts unten zu erkennen. Foto: ESA/Gaia/DPAC
© ESA/Gaia/DPAC

1,8 Milliarden Objekte Mission „Gaia“ präsentiert Atlas der Milchstraße

Neue Beobachtungsdaten zeugen von der bewegten Geschichte der Milchstraße. Sie könnten auch dazu beitragen, das Geheimnis der Dunklen Materie aufzuklären.

Klimazonen, Bodentypen, Landnutzung – Geowissenschaftler lieben es, in thematischen Karten zu versinken. Dieses Vergnügen haben nun auch Astronominnen und Astronomen dank „Gaia“. Mit einem Teleskop an Bord der Raumsonde wird seit 2014 die Milchstraße in 3D kartiert.

Am heutigen Montag wurde das bisher größte Datenpaket der Mission veröffentlicht. Es ist weit mehr als eine Karte: ein umfangreicher Atlas unserer Heimatgalaxie.

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Früher war mehr Wasserstoff

Der Atlas basiert auf Positions- und Helligkeitsdaten von rund 1,8 Milliarden Objekten, zumeist Sternen, die vor zwei Jahren publiziert wurden. Nun liegen weitere Details wie chemische Zusammensetzungen, Sterntemperaturen, Farben, Massen, Alter und Geschwindigkeiten vor, mit denen sich die Sterne auf uns zu oder von uns wegbewegen. Damit lässt sich etwa ergründen, welche schon lange um das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße kreisen und welche in anderen Galaxien entstanden sind und zu uns kamen.

Die europäische Raumfahrtagentur Esa liefert zudem einen Katalog, der Aufschluss über die Masse und die Entwicklung von mehr als 800.000 Doppelsternsystemen geben soll. Außerdem wurden Zehntausende Asteroiden erfasst, mehr als zehn Millionen veränderliche Sterne sowie „Quasare“ genannte Schwarze Löcher und Galaxien außerhalb unserer eigenen kosmischen Nachbarschaft.

Die Bahnen von mehr als 150.000 Asteroiden verlaufen im inneren Teil des Sonnensystems (blau), im Hauptgürtel zwischen Mars und Jupter (grün) und nahe der Jupiterbahn (rot). Gestaltung: P. Tanga/Observatoire de la Côte d'Azur Foto: ESA/Gaia/DPAC Vergrößern
Die Bahnen von mehr als 150.000 Asteroiden verlaufen im inneren Teil des Sonnensystems (blau), im Hauptgürtel zwischen Mars und Jupter (grün) und nahe der Jupiterbahn (rot). Gestaltung: P. Tanga/Observatoire de la Côte d'Azur © ESA/Gaia/DPAC

Viele der neuen Daten verdanken die Forscher der Spektroskopie. Bei diesem Verfahren wird das Sternenlicht in seine einzelnen Farben aufgespalten. So entsteht eine Art individueller Fingerabdrücke der Himmelskörper. Die Spektren hängen unter anderem von der chemischen Zusammensetzung und der Bewegung der Himmelskörper relativ zum Beobachter ab.

„Anhand dieser Daten können wir die Entwicklungsgeschichte der Milchstraße nachvollziehen“, sagt Roelof de Jong vom Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam (AIP), das maßgeblich an der Gaia-Mission beteiligt ist. Nach dem Urknall gab es zunächst nur Wasserstoff und Helium, schwere Elemente wurden im Innern von Sternen gebildet und durch Supernovae in den intergalaktischen Raum geschleudert. Aus dem Staub bildeten sich Sterne späterer Generationen.

Sternbeben im Visier

„Je nachdem, aus welchem Ursprungsmaterial heutige Sterne bestehen, haben sie unterschiedlich viele schwere Elemente“, erläutert der Forscher. Anhand der Gaia-Daten lassen sich verschiedene Gruppen von Objekten identifizieren, die teils aus anderen Galaxien stammen und die in die Milchstraße eingewandert sind.

Oft ist das Licht der Sterne sehr schwach und die Geräte arbeiten an der Grenze des Messbaren. Hinzu kommen Störungen. So zeigte sich nach dem Start des Teleskops: Aus dem faltbaren Schild, der es vor Sonnenlicht abschirmt, ragen einzelne Fasern. „Diese lenken das Sonnenlicht teilweise in die empfindliche Optik“, erläutert de Jong. Mit einer am AIP entwickelten Software wurde das Problem behoben.

Es gab auch positive Überraschungen. Obwohl nicht eigens dafür entwickelt, erwies sich Gaia als sensibles Instrument, um Sternbeben zu erfassen. Dies sind wiederkehrende Veränderungen der Oberfläche, die je nach Stern sehr unterschiedlich sind und die auch bei der Sonne auftreten. „Wie Seismologen Erdbeben nutzen, um das Innere von Planeten zu erkunden, können wir anhand stellarer Beben mehr über Temperatur, Dichte und Rotation im Inneren der Sterne erfahren“, sagte Conny Aerts von der Universität Leuven in Belgien bei der Vorstellung der Ergebnisse.

Mehr als 100.000 auf diese Weise „brummende“ Sterne hat das Observatorium aufgespürt. Die vielversprechendsten sollen ab 2026 von der Esa-Sonde „Plato“ beobachtet werden, die auf Sternenseismologie spezialisiert ist. „Die Messungen von Gaia und Plato sind eine wahre Goldgrube, um diese Phänomene zu untersuchen.“

Goldstandard Hubble-Teleskop überholt

Die Daten der aktuellen Mission könnten zudem helfen, der rätselhaften Dunklen Materie auf die Spur zu kommen. Woraus sie besteht, kann bislang niemand genau sagen. Dass es sie gibt, ist aber sehr wahrscheinlich. Die Bewegung von Sternen und Galaxien ist durch die Gravitation bestimmt – und allein mit der der sichtbaren Materie nicht zu erklären. Es muss also noch mehr geben.

„Wenn eine Zwerggalaxie in die Milchstraße gerät, wird sie durch die galaktischen Gezeitenkräfte gedehnt“, sagt de Jong. Doch die Bewegung der Sterne ist komplex, etwas Unsichtbares zieht an ihnen. Dunkle Materie? „Wir wissen es nicht“, sagt der AIP-Forscher. „Aber mit den präzisen Messungen von Gaia können wir erstmals vermutete Effekte der Dunklen Materie auf kleineren Skalen überprüfen.“

Möglicherweise, so de Jong, reichen die bisherigen Daten dafür noch nicht aus. Weitere sind aber in Sicht: Die Mission ist bereits mehrfach über die ursprüngliche Betriebsdauer von fünf Jahren hinaus verlängert worden. Noch ist das Teleskop intakt und setzt die Messungen fort.

Schon jetzt ist der wissenschaftliche Ertrag enorm. Im Schnitt erscheinen seit 2020 täglich fünf Fachartikel, die auf Gaia-Daten basieren, sagte Günther Hasinger, Wissenschaftsdirektor bei der Esa. „Damit haben wir bereits den bisherigen Goldstandard, das „Hubble“-Teleskop, überholt.“

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