Beobachtungstipp im April 2014

Menschen brauchen Orientierung. Während ihrer ganzen kulturellen Entwicklung hing ihre Überlebensstrategie von örtlicher und zeitlicher Orientierung ab. Das Nomadentum oder auch die sesshaft gewordenen Kulturen, die frühe Landwirtschaft betrieben, erkundeten ihren Lebensraum und suchten nach Orientierungspunkten. Diese frühen Kulturen arbeiteten nicht aus wissenschaftlicher Neugier heraus. Ihre Motivation war durch die Überlebensstrategie geprägt. In ihrer Kultur, in der Himmel und Erde noch vereint von Naturgeistern beherrscht wurden, war es von Vorteil, die Zeichen der Natur zu lesen und zu deuten. Der Sternenhimmel offenbarte sich als zuverlässige Einrichtung zur zeitlichen Orientierung. Aus der frühen Zeit sind uns nur noch Relikte erhalten, die auf frühe Himmelsbeobachtungen hinweisen. Das süd-englische Stonehenge ist das wohl bekannteste Relikt. Solche Relikte finden sich auch in Deutschland, wie das Sonnenobservatorium von Goseck. Frühe Versuche der Himmelskartographie zeigt die Himmelsscheibe von Nebra. Die bronzezeitliche Himmelsdarstellung wurde 1999 von zwei Schatzsuchern entdeckt und die jüngste Geschichte liest sich wie ein Kriminalroman. Die Scheibe zeigt vermutlich Sternkonstellationen und Sonne und Mond. Eine frühzeitliche Darstellung der Plejaden ist auf ihr abgebildet. Die Himmelsscheibe diente vermutlich als frühzeitlicher Kalender.

Die Entwicklung der menschlichen Kultur erhielt mit zunehmendem Wohlstand neue Anschübe. In Europa entwickelten sich besonders in Griechenland naturphilosophische Schulen, aus der sich die Naturwissenschaften herauskristallisierten. Aber auch der arabische Einfluss auf die Astronomie ist nicht unerheblich. Viele Sternnamen finden ihre Herkunft aus arabischen Quellen. Die Astronomie, die Wissenschaft der Sterne, zeigte frühe Blüten. Zu den ersten frühen Vermessungen des Himmels gehört der Himmelskatalog von Hipparch von Nicäa, der 190 vor Chr. das Licht der Welt erblickte. Sein Katalog umfasst ungefähr 1.000 Sterne. Seine Messungen waren präzise genug, um die Präzession der Erdachse zu erkennen, jene Verschiebung des Sternenhimmels, die durch die Kreiselbewegung der Erde innerhalb von 26.000 Jahren geschieht.

Der Sternkatalog ist leider nicht mehr erhalten. Er ist Teil des Almagest, der bis ins Mittelalter als Standartwerk der Astronomie galt, basierend auf dem Weltbild des Astronomen Claudius Ptolemäus, ein Zeitgenosse Hipparchs. Der Almagest ist heute, selbstverständlich in kommentierter Form, noch erhältlich. Die Genauigkeit seiner Sternpostionen, die er noch ohne Teleskope nur mit dem bloßen Auge bestimmte, entsprachen einer Genauigkeit von 0,3°, also etwa der Hälfte des Monddurchmessers.

Im 16. Jahrhundert erlebte die Astronomie eine neue Blüte. Mit der Renaissance wurden die modernen Wissenschaften gegründet. Die Vermessung des Himmels war die Hauptaufgabe der Astronomie. Der dänische Astronom Tycho de Brahe hat sich auf diesem Gebiet einen besonderen Namen gemacht. Ausgestattet mit den besten Geräten seiner Zeit. Friedrich II. von Dänemark erkannte die besonderen Fähigkeiten Brahes und schuf die Uraniborg auf der dänischen Insel Ven, die das modernste Sternobservatorium dieser Zeit war. Tycho de Brahe erreichte eine Genauigkeit von einer Bogenminute. Seine Hilfsmittel waren Mauerquadranten, Sextanten und Armillarsphären.

Im Jahr 1603 erschien der Himmelsatlas Uranometria, den der Astronom Johann Bayer herausbrachte. Bayer hatte offenbar Zugang zu De Brahes Sternkatalogen. Aber auch eigene Beobachtungen flossen in den Uranometria ein. De Brahe und Bayer konnten noch nicht auf teleskopische Beobachtungen zurückgreifen. Somit beschränkt sich der Katalog und der Himmelsatlas auf Sterne, die mit dem bloßen Auge zu sehen waren.

Die Astronomie beschränkte sich zu dieser Zeit auf die Bestimmung von Gestirnspositionen und Berechnung von Planeten und Sternörtern. Daran änderte auch zunächst die Entwicklung von Teleskopen nichts. Die Genauigkeit der Messungen und der tiefere Blick in den Himmel erlaubte zum Ende des 18. Jahrhunderts bereits Messungen mit der Genauigkeit von einer Bogensekunde.

Im Jahr 1712 erschien der Sternkatalog Historia Coelestis Britannica des Astronomen John Flamsteed, der erstmals über 2.700 Sterne mit nie erreichter Genauigkeit darstellte. Bayer und Flamsteed-Bezeichnungen sind heute übrigens noch gebräuchlich.

James Bradley, ein englischer Astronom, führte sehr genaue Messungen an 3.000 Sternen durch und entdeckte 1728 die Aberration des Sternlichtes. Die Bahngeschwindigkeit der Erde um die Sonne verursachte eine Verschiebung von maximal 20 Bogensekunden innerhalb eines Jahres (jährliche Aberration - zudem gibt es ebenfalls eine tägliche Aberration, verursacht durch die Erddrehung, die abhängig vom Breitengrad ist). Dieser Effekt ist auf die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit zurückzuführen.

Im Jahr 1838 gelang es dem deutschen Astronom Friedrich Bessel, die erste Parallaxe eines Sterns zu ermitteln. Seine Messung des Sterns 61 Cygni erreichte eine Genauigkeit von 0,3 Bogensekunden.

Im 19. Jahrhundert erschien der Fundamentalkatalog, der es bis zur 6. Ausgabe im Jahr 2000 schaffte und die Positionen von über 4.000 Sternen mit einer Genauigkeit von 0,05 bis 0,01 Bogensekunden angibt. Ein eifriger Astronom war auch der Deutsche Friedrich Wilhelm August Argelander, der mit einem 3"-Teleskop über 320.000 Sterne katalogisierte. Auch sein Katalog, die "Bonner Durchmusterung" ist heute ein gebräuchlicher Sternkatalog.

Bis ins 19. Jahrhundert war die Vermessung des Himmels die Hauptaufgabe der Astronomie. Im 20. Jahrhundert beschäftigte man sich immer mehr mit den physikalischen Gesetzen und den Eigenschaften der Himmelskörper. Die Astrometrie geriet fast ein wenig in Vergessenheit. Mit dem Einläuten des Satellitenzeitalters erlebte die Astrometrie, die Wissenschaft von der Vermessung des Himmels, eine neue Blütezeit. Zunächst erlaubte die Auswertung fotografischer Aufnahmen von Sternfeldern genaue Positionsbestimmungen und Sternenkataloge wie der SAO-Katalog (Smithsonian Astrophysical Observatory Star Catalog). In den 90'er Jahren entwickelte man Satelliten, die außerhalb der störenden Erdatmosphäre genaue Messungen an Sternen durchführten.

Der ESA-Astrometriesatellit Hipparcos, benannt nach dem griechischen Astronom Hipparch, startete im Jahr 1989 und setzte neue Akzente in Sachen Astrometrie. Er vermass über 1 Mio. Sterne mit einer Genauigkeit von bis zu 1 Millibogensekunde. Die Bestimmung von Sternparallaxen erlaubte es, die Entfernungen von Sternen in bisher nicht erreichter Genauigkeit zu bestimmen. Hipparcos ist eine Erfolgsgeschichte der ESA, die zunächst unter einem ungünstigen Stern stand. Der Satellit, der eigentlich für eine geostationäre Bahn vorgesehen war, erreichte diese wegen eines Versagens der Triebwerke nicht und taumelte so zwischen 530 und 35.900km um die Erde. Trotz des Rückschlags konnten die Ziele der ESA noch übertroffen werden.

Über 20 Jahre nach Hipparcos entsendete die ESA den Nachfolger Gaia ins Weltall. Gaia ist eines der ehrgeizigsten Projekte der ESA und wird auch trotz der Sparmaßnahmen bei der Entwicklung des Astrometriesatellits eine neue Ära der Astrometrie einläuten. Niemals zuvor werden so viele Sterne mit solcher Genauigkeit vermessen, wie es der Gaia-Satellit tun wird. Gaia startete am 19. Dezember 2013 mit einer SOJUS-Rakete vom Weltraumbahnhof in Französisch Guayana. Am 8. Januar 2014 erreichte der 2.030kg schwere Satellit seinen Bestimmungsort, den Lagrange-Punkt L2, der 1,6 Mio. km von der Erde entfernt ist. Somit sind Wartungsarbeiten oder Reparaturen, wie es beim Hubble-Space-Teleskop möglich ist, nicht vorgesehen. Nach dem Start hängt der Erfolg von Gaia von der Handfertigkeit der Entwicklungsingenieure der ESA ab. Insgesamt waren 1.000 Menschen an der Entwicklung von Gaia beteiligt. Der Satellit hat einen Durchmesser von 3m und einen Sonnenschirm von 11m Durchmesser. Dieser Schirm hat eine Doppelfunktion. Er soll die Wärmestrahlung der Sonne fernhalten und mittels Solarzellen, die Stromversorgung für die Datenübertragung aufrecht erhalten. Die beiden an Bord befindlichen Teleskope, die zwei Gesichtsfelder im Winkel von 106,5° überwachen, werden auf konstant -150°C heruntergekühlt. Die CCD-Kameras werden bei -110°C betrieben. Die Temperaturen müssen wegen der geforderten Genauigkeit auf 1/1000K gehalten werden. Die Größe des CCD-Chips darf durch thermische Ausdehnung nur den Durchmesser eines Atoms schwanken. Mechanische Teile sind nicht an Bord. Erschütterungen oder Schwingungen jeglicher Art sind unerwünscht. Gaia rotiert während des Messbetriebs langsam und nimmt die Himmelsareale mehrmals während der Mission, die auf 5 Jahre ausgelegt ist, auf. Ein kompletter Umlauf dauert ein halbes Jahr. Die Konstruktion von Gaia ist schon eine technische Meisterleistung, wenn man bedenkt, dass dieses hochpräzise Messinstrument den Start einer Rakete, den Transport zum Lagrange L2-Punkt und den damit verbundenen Temperaturabfall schadlos überstehen muss. Eine weitere Herausforderung ist die Auswertung der Daten. Der Himmel bietet keinen Fixpunkt, der ausreichend genau als Eichquelle bekannt ist, um die Gaia-Sonde zu kalibrieren. Selbst die unglaublich weit entfernten Quasare reichen nicht aus, um Gaias Instrumente zu kalibrieren. Es wurde hierzu ein komplizierter mathematischer Algorithmus entwickelt, der es Gaia erlaubt anhand der eigenen Messdaten sich selbst zu kalibrieren. Man wird sehr an Münchhausens Geschichte erinnert, der sich am eigenen Schopf aus dem Sumpf gezogen hat. Im Gegensatz zu Münchhausen funktioniert die Prozedur des Gaiaprojektes wirklich. Die Datenqualität soll um den Faktor 20x bis 50x besser sein, als die von Hipparcos.

Gaia soll etwa 1 Milliarde Sterne unter die Lupe nehmen, von denen viele nicht mal bekannt sind. Es werden die Positionen und Parallaxen mit einer Genauigkeit von einer Millionstel Bogensekunde gemessen. Gleichzeitig wertet ein Spektrograph das Spektrum der Sterne aus und ermittelt die Radialgeschwindigkeit und die Zusammensetzung und Farbe des Sterns. Auch astrophysikalische Phänomene, wie eine zeitliche Veränderung der Gravitationskonstante oder die Lichtablenkung durch massereiche Körper, wie die Sonne, sollen untersucht werden. Dies geschieht allerdings auf irdischen Rechnern. Gaia ist nur für das Datensammeln zuständig.

Gaia war übrigens das Akronym für Gobal Astrometric Interferometer for Astrophysics. Zunächst war ein interferometrisches Teleskop vorgesehen. Man entschied sich aus Kostengründen aber für die jetzige Konstruktion mit zwei versetzen Einzelteleskopen. Ursprünglich sollte die Mission auch GAIA heißen. Um die Identität zu behalten taufte man GAIA in Gaia um, in Anlehnung an den griechischen Namen der Mutter Erde, obwohl die Mission mit der Mutter Erde nicht soviel zu tun hat.

Gaia wird neue Maßstäbe in der Vermessung von Sternen setzen. Wird das ehrgeizige Ziel erreicht und die Genauigkeit von 1/1000000 Bogensekunde bestätigt, so entspräche die Winkelauflösung einer Euro-Münze in einer Distanz von 4 Mio. km. Hipparcos hätte eine Euromünze in 4.000km auflösen können. Im Vergleich zum 19. Jahrhundert mit 40km und im 16. Jahrhundert mit 70m Distanz zur Münze, ein wahrer Fortschritt.

Die ganze Mission wird über 700 Mio. Euro verschlingen. Da stellt sich die Frage, ob wir diese Genauigkeit brauchen und ob der Aufwand gerechtfertigt ist. - Nun ja, Spitzenforschung kostet Geld. Die Entwicklung dieser Gerätschaften ist in der Regel mit Neuentwicklungen verbunden, die spätere Missionen wieder günstiger machen oder auch in anderen Gebieten von Nutzen sind. Aber auch die Ergebnisse sind von großem Nutzen für die Astronomie. Viele Bereiche werden profitieren. Allein die Bahnbestimmung von Kleinkörpern, Kometen und Asteroiden, wird genauer. Das kann sehr wichtig sein.

Jedenfalls werden wir unsere kosmische Heimat viel besser kennenlernen, als bisher. - Alles Gute, Gaia!

Clear Skies,
Christian Overhaus

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