Seit rund einem Monat hält sich der im Dezember 2013 gestartete Astrometriesatellit Gaia an seinem Einsatzort auf. Derzeit sind die Wissenschaftler des Gaia-Projekts emsig dabei, den Satelliten zu prüfen und zu kalibrieren. In dieser viermonatigen Testphase geht es darum, mögliche Probleme, die den Messbetrieb stören könnten, zu entdecken und nach Möglichkeit zu beheben.

Gaia soll in den nächsten fünf Jahren den gesamten Himmel durchmustern und dabei rund eine Milliarde Sterne erfassen – etwa ein Prozent des gesamten Bestands in unserem Milchstraßensystem. Daraus können die Astronomen unter anderem die bislang präziseste und detaillierteste dreidimensionale Karte unserer Galaxis errechnen.

Der Start und der Flug von Gaia zum 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernten Lagrange-Punkt L2 verliefen ohne Probleme und sehr präzise. Dieser Ort liegt auf der Verbindungslinie Sonne – Erde und umkreist die Sonne mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie die Erde.

Schon während der rund dreiwöchigen Transferphase überprüften die Missionskontrolleure einige der Systeme von Gaia: Sie untersuchten unter anderem das Verhalten des Raumfahrzeugs als Ganzes. Außerdem erwärmten sie Gaias Oberteil, das die wissenschaftlichen Instrumente enthält, mit Hilfe von Heizelementen etwa auf Zimmertemperatur, um eventuelle Verunreinigungen durch Ausgasen zu beseitigen. Anschließend schalteten die Missionskontrolleure Gaias Kamera, die dazugehörige Elektronik und weitere Messinstrumente zum ersten Mal ein und analysierten die Daten. In dieser Phase empfingen die Detektoren auch zum ersten Mal das Licht von Sternen.

Der Astrometriesatellit Gaia (künstlerische Darstellung)
© ESA / David Ducros
(Ausschnitt)
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Der eigentliche Satellitenkörper von Gaia hat eine Höhe und auch einen Durchmesser von rund drei Metern, der Durchmesser des Sonnenschutzschirms beträgt mehr als zehn Meter. Auf seiner Unterseite sind Solarzellen zur Stromversorgung und eine Richtantenne für die Datenübertragung angebracht. Im Oberteil des Satelliten sieht man die beiden großen Teleskopöffnungen, durch die Gaia gleichzeitig zwei 106,5 Grad am Himmel auseinanderliegende Gebiete am Himmel aufnimmt, sowie darunter (oder: im Vordergrund) die Kühlplatte für die Fokalebene. Der Sonnenschirm sorgt dafür, dass die Teleskope auf einer konstanten Temperatur von –150 Grad Celsius und die CCD-Kamera auf -110 Grad Celsius gehalten werden.

Am 7. Januar 2014 zündeten fünf von acht Schubdüsen von Gaias Bordantrieb rund zwei Stunden lang, um den Himmelsvermesser in seine Schleifenbahn um den Lagrange-Punkt L2 zu bringen. Eine Woche später erfolgte dann noch eine kurze Zündung von Gaias Düsen, um einen präzisen Einschuss in den endgültigen Orbit zu gewährleisten. Zwischen diesen beiden Manövern, am 8. Januar, wurde Gaia erstmals in seine vorgesehene Rotation versetzt, bei der er sich einmal alle sechs Stunden um seine Achse dreht. Danach begann die so genannte Commissioning-Phase, während der Gaia und seine Instrumente nach und nach in Betrieb genommen, überprüft, feinjustiert und kalibriert werden. Diese Testphase dauert nach jetziger Planung noch bis Ende Mai.

Während der Commissioning-Phase müssen die Teleskope eingestellt und fokussiert werden, eine Grundvoraussetzung dafür, dass Gaia seine Arbeit aufnehmen kann. Das unten gezeigte Bild des Kugelsternhaufens NGC 1818 wurde zu Testzwecken erstellt und zeigt, dass die beiden Teleskope praktisch schon optimal scharf eingestellt sind. Alle 102 CCD-Detektoren und die dazugehörige Elektronik funktionieren hervorragend.

Gaia-Testbild des offenen Sternhaufens NGC 1818
© ESA
(Ausschnitt)
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Dieses Testbild des Gaia-Satelliten zeigt den jungen Kugelsternhaufen NGC 1818 in der Großen Magellanschen Wolke. Es wird eine der wenigen richtigen größeren Himmelsaufnahmen von Gaia bleiben, denn normalerweise sendet Gaia nur Datenpakete zur Erde, welche die unmittelbare Umgebung der einzelnen Sterne enthalten.

Mittlerweile sind auch die Kaltgas-Steuerdüsen, die dafür sorgen, dass Gaias Ausrichtung und Rotation so hochpräzise erfolgt, wie es das Messprinzip des Astrometriesatelliten erfordert, nahezu optimal eingestellt. Anfänglich lieferte eine der Düsen deutlich zu viel Schub, was wegen der Kompensation dieses Effekts durch eine andere Steuerdüse zu einem erhöhten Verbrauch an Treibstoff geführt hätte.

Gaias Atomuhr tickt richtig!

In der Presse wurde von einem angeblichen Problem beim Verhalten von Gaias Atomuhr berichtet. Es war die Rede davon, dass sie zu langsam liefe und dass ein wichtiger Effekt der einsteinschen Relativitätstheorie zunächst nicht korrekt berücksichtigt wurde. Tatsächlich war diese sehr wohl bekannte relativistische Korrektur bei der angesprochenen Überprüfung der Atomuhren weder nötig noch vorgesehen. Bei der wissenschaftlichen Datenauswertung kommt dagegen eine hochgenaue Berücksichtigung aller relevanten relativistischen Effekte zum Einsatz.

Streulicht in den Gaia-Teleskopen

Noch ungeklärt ist hingegen die Ursache dafür, dass deutlich mehr Streulicht auf die Fokalebene von Gaias Kamera trifft, als von der Konstruktion her vorgesehen. Die Menge des unerwünschten Hintergrundlichts ändert sich periodisch mit der Rotationsperiode von sechs Stunden. Eigentlich sollte der mehr als zehn Meter große Sonnenschirm dafür sorgen, dass die beiden Teleskopöffnungen und die zylinderförmige Schutzhülle für die Gaia-Instrumente vollständig im Schatten zur Sonne liegen. Da andere Ursachen für die unerwünschte Beleuchtung der Fokalebene kaum in Frage kommen, muss auf irgendeine Weise eine kleine Menge Sonnenlicht bis zur Fokalebene vordringen. Dieses Streulichtproblem würde die Genauigkeit der Positionsmessungen von Gaia an lichtschwachen Sternen ein wenig beeinträchtigen.

Stärker betroffen wäre der Radialgeschwindigkeitsspektrograf von Gaia, der die Bewegung der Sterne auf uns zu oder von uns weg misst. Es gibt bereits einen Plan, mit dem sich das Streulichtproblem möglicherweise deutlich reduzieren lässt: Am 17. Februar 2014 soll dann der Neigungswinkel des Sonnenschirms relativ zur Sonne testweise von 45 Grad auf 48 Grad erhöht werden. Dadurch liegen die Teleskopöffnungen von Gaia noch tiefer im Schatten . Vergleicht man nun die Messungen in Gaias Fokalebene vor und nach dem Schwenk, so erhält man wahrscheinlich auch genaue Hinweise auf die Ursache des Lichteinfalls.

Gaias Teleskope werden durch Heizen geputzt

Weitere Untersuchungen der Gaia-Daten während der Commissioning-Phase ergaben, dass die Empfindlichkeit vor allem eines der beiden Teleskope im Laufe von drei Wochen um mehr als die Hälfte abgenommen hat. Inzwischen hat sich die Vermutung bestätigt, dass ein Spiegel im Strahlengang durch Ablagerungen verunreinigt ist. Diese ließen sich durch lokales Aufheizen in der Umgebung des Spiegels glücklicherweise praktisch vollständig beseitigen. Es muss allerdings Sorge dafür getragen werden, dass die Quelle für die Verunreinigung ausgeschaltet wird. Möglicherweise hängt dies auch mit dem Streulichtproblem zusammen, nämlich dann, wenn eine Erwärmung durch Sonnenlicht zu einem lokal verstärkten Ausgasen von Material führt. Dann würde schon allein die Änderung des Neigungswinkels von Gaia auch die Quelle der Verunreinigung versiegen lassen. Bis zum Ende der Commissioning-Phase wird man den Gaia-Satelliten und seine Instrumente immer besser verstehen und immer genauer einstellen, damit im Mai oder Juni mit den eigentlichen wissenschaftlichen Messungen begonnen werden kann. Zusammenfassend lässt sich aber sagen, dass Gaia bisher – abgesehen von einigen vermutlich lösbaren Problemen – sehr gut arbeitet.

Weitere Informationen zu Gaia finden Sie auf unserer Sonderseite, darunter zwei ausführliche Beiträge, welche die wissenschaftlichen Fragestellungen und die Technik von Gaia im Detail beschreiben.