Gaia-Weltraumteleskop erschüttert die Wissenschaft von Asteroiden – ScienceDaily

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Gaia-Weltraumteleskop erschüttert die Wissenschaft von Asteroiden – ScienceDaily

Die europäische Weltraummission Gaia hat eine beispiellose Menge neuer, verbesserter und detaillierter Daten für fast zwei Milliarden Objekte in der Milchstraße und dem umgebenden Kosmos produziert. Die Gaia Data Release 3 am Montag revolutioniert unser Wissen über das Sonnensystem und die Milchstraße und ihre Begleitgalaxien.

Die Weltraummission Gaia der Europäischen Weltraumorganisation ESA erstellt eine ultrapräzise dreidimensionale Karte unserer Milchstraße und beobachtet fast zwei Milliarden Sterne oder etwa ein Prozent aller Sterne in unserer Galaxie. Gaia wurde im Dezember 2013 gestartet und hat seit Juli 2014 wissenschaftliche Daten gesammelt. Am Montag, dem 13. Juni, veröffentlichte die ESA Gaia-Daten in Data Release 3 (DR3). Finnische Forscher waren maßgeblich an der Freilassung beteiligt.

Gaia-Daten ermöglichen beispielsweise die Ableitung von Umlaufbahnen und physikalischen Eigenschaften von Asteroiden und Exoplaneten. Die Daten helfen dabei, den Ursprung und die zukünftige Entwicklung des Sonnensystems und der Milchstraße aufzudecken und helfen, die Entwicklung von Sternen- und Planetensystemen und unseren Platz im Kosmos zu verstehen.

Gaia dreht sich langsam in etwa sechs Stunden um seine Achse und besteht aus zwei optischen Weltraumteleskopen. Drei wissenschaftliche Instrumente ermöglichen die genaue Bestimmung von Sternpositionen und -geschwindigkeiten sowie der spektralen Eigenschaften. Gaia befindet sich etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt in Anti-Sonnen-Richtung, wo sie zusammen mit der Erde in der Nähe des sogenannten Sonne-Erde-Lagrange-Punktes L2 die Sonne umkreist.

Gaia DR3 am 13. Juni 2022 war für die gesamte Astronomie von Bedeutung. Etwa 50 wissenschaftliche Artikel werden mit DR3 veröffentlicht, von denen neun Artikel dem außergewöhnlich bedeutenden Potenzial von DR3 für die zukünftige Forschung gewidmet sind.

Die neuen DR3-Daten umfassen beispielsweise die chemische Zusammensetzung, Temperaturen, Farben, Massen, Helligkeiten, Alter und Radialgeschwindigkeiten von Sternen. DR3 umfasst den größten Doppelsternkatalog aller Zeiten für die Milchstraße, mehr als 150.000 Objekte des Sonnensystems, hauptsächlich Asteroiden, aber auch Planetensatelliten, sowie Millionen von Galaxien und Quasaren jenseits der Milchstraße.

„Es gibt so viele revolutionäre Fortschritte, dass es schwierig ist, einen einzelnen der bedeutendsten Fortschritte zu benennen. Basierend auf Gaia DR3 werden finnische Forscher die Vorstellung von Asteroiden in unserem Sonnensystem, Exoplaneten und Sternen in unserer Milchstraße sowie Galaxien ändern selbst, einschließlich der Milchstraße und der sie umgebenden Satellitengalaxien. Bei der Rückkehr zu unserem Heimatplaneten wird Gaia einen ultrapräzisen Referenzrahmen für die Navigation und Positionsbestimmung erzeugen“, sagt Akademieprofessor Karri Muinonen von der Universität Helsinki.

Gaia und Asteroiden

Die zehnfache Zunahme der Anzahl der in Gaia DR3 gemeldeten Asteroiden im Vergleich zu DR2 bedeutet, dass es eine signifikante Zunahme der Anzahl enger Begegnungen zwischen Gaia-entdeckten Asteroiden gibt. Diese engen Begegnungen können für die Massenschätzung von Asteroiden genutzt werden, und wir erwarten eine signifikante Zunahme der Anzahl von Asteroidenmassen, die durch die Verwendung der Gaia-DR3-Astrometrie abgeleitet werden können, insbesondere in Kombination mit Astrometrie, die von anderen Teleskopen erhalten wird.

Bei der herkömmlichen Berechnung der Umlaufbahn eines Asteroiden wird angenommen, dass der Asteroid ein punktartiges Objekt ist, und seine Größe, Form, Rotation und Oberflächenlichtstreuungseigenschaften werden nicht berücksichtigt. Die Gaia-DR3-Astrometrie ist jedoch so genau, dass der Winkelversatz zwischen dem Massenmittelpunkt des Asteroiden und dem Zentrum des von der Sonne beleuchteten und für Gaia sichtbaren Bereichs berücksichtigt werden muss. Basierend auf Gaia DR3 wurde der Offset für den Asteroiden (21) Lutetia zertifiziert (Abbildung 2). Die ESA-Weltraummission Rosetta fotografierte Lutetia während des Vorbeiflugs am 10. Juli 2010. Mit Hilfe der Rosetta Lutetia-Bilder und bodengestützter astronomischer Beobachtungen wurden eine Rotationsperiode, eine Rotationspolorientierung und ein detailliertes Formmodell abgeleitet. Wenn die physikalische Modellierung in die Umlaufbahnberechnung einbezogen wird, werden die systematischen Fehler entfernt und im Gegensatz zur herkömmlichen Berechnung können alle Beobachtungen in die Umlaufbahnlösung einbezogen werden. Folglich liefert die Gaia-Astrometrie Informationen über die physikalischen Eigenschaften von Asteroiden. Diese Eigenschaften müssen durch physikalische Modelle oder empirische Fehlermodelle für die Astrometrie berücksichtigt werden.

Das Gaia DR3 beinhaltet erstmals Spektralbeobachtungen. Das Spektrum misst die Farbe des Ziels, also die Helligkeit bei verschiedenen Wellenlängen. Besonders interessant ist, dass die neue Version etwa 60.000 Spektren von Asteroiden in unserem Sonnensystem enthält (Abbildung 3). Das Asteroidenspektrum enthält Informationen über ihre Zusammensetzung und damit über ihren Ursprung und die Entwicklung des gesamten Sonnensystems. Vor dem Gaia DR3 waren nur einige tausend Asteroidenspektren verfügbar, also wird Gaia die Datenmenge um mehr als eine Größenordnung vervielfachen.

Gaia und Exoplaneten

Gaia wird voraussichtlich Nachweise von bis zu 20.000 riesigen Exoplaneten liefern, indem sie ihre Gravitationswirkung auf die Bewegung ihrer Wirtssterne messen. Dies wird es ermöglichen, in den kommenden Jahren praktisch alle jupiterähnlichen Exoplaneten in der Nachbarschaft der Sonne zu finden und zu bestimmen, wie häufig Sonnensystem-ähnliche Architekturen vorkommen. Die erste derartige astrometrische Entdeckung von Gaia war ein riesiger Exoplanet um Epsilon Indi A, der dem nächsten jupiterähnlichen Exoplaneten in nur 12 Lichtjahren Entfernung entspricht. Die ersten derartigen Nachweise sind möglich, weil die bei Radialgeschwindigkeitsmessungen beobachtete Beschleunigung mit Bewegungsdaten von Gaia kombiniert werden kann, um die Umlaufbahnen und Planetenmassen zu bestimmen.

Gaia und Galaxien

Die Auflösung von Mikrobogensekunden von Gaia DR3 liefert präzise Messungen der Bewegungen von Sternen, nicht nur innerhalb unserer eigenen Milchstraße, sondern auch für die vielen Satellitengalaxien, die sie umgeben. Aus der Bewegung von Sternen innerhalb der Milchstraße selbst können wir ihre Masse genau messen, und zusammen mit der Eigenbewegung von Satelliten können wir jetzt ihre Umlaufbahnen genau bestimmen. Damit können wir sowohl in die Vergangenheit als auch in die Zukunft des Galaxiensystems Milchstraße blicken. Wir können zum Beispiel herausfinden, welche der Galaxien, die die Milchstraße umgeben, echte Satelliten sind und welche nur vorbeiziehen. Wir können auch untersuchen, ob die Entwicklung der Milchstraße kosmologischen Modellen entspricht, und insbesondere, ob die Umlaufbahnen der Satelliten zum Standardmodell der Dunklen Materie passen.

Gaia und Bezugsrahmen

Der International Celestial Reference Frame, ICRF3, basiert auf der Position einiger tausend Quasare, die durch Very Long Baseline Interferometry (VLBI) bei Radiowellenlängen bestimmt wurden. ICRF3 wird verwendet, um die Koordinaten von Himmelsobjekten zu erhalten und die Bahnen von Satelliten zu bestimmen. Auch Quasare des ICRF3 sind Fixpunkte am Himmel, mit denen sich jederzeit die genaue Ausrichtung der Erde im All bestimmen lässt. Ohne diese Informationen würde beispielsweise die Satellitenortung nicht funktionieren.

Die Daten von Gaia enthalten etwa 1,6 Millionen Quasare, die verwendet werden können, um einen genaueren Himmelsreferenzrahmen im sichtbaren Licht zu erstellen, der den aktuellen ersetzt. Dies wird sich in Zukunft sowohl auf die Genauigkeit der Satellitenpositionierung als auch auf die Messungen von Erderkundungssatelliten auswirken.