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Gaia sieht James Webb


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Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 6/2022 vom 13.05.2022

TELESKOPE

Der Lagrange-Punkt L2 befindet sich rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Von dort aus gesehen liegt er immer genau in der Gegenrichtung zur Sonne. Am L2 addieren sich die Anziehungskräfte von Erde und Sonne genau derart auf, dass ein dort befindlicher Körper zusammen mit der Erde exakt einmal im Jahr unser Tagesgestirn umkreist. Dieser Umstand erlaubt es, astronomische Observatorien mit minimalem Treibstoffaufwand jahrelang dort arbeiten zu lassen – bei immer gleich guter Funkverbindung zur Erde. Allerdings darf man die Raumfahrzeuge nicht genau am L2 absetzen, denn dieser liegt im Schatten der Erde. So gäbe es kein Sonnenlicht zur Stromerzeugung. Stattdessen lässt man die Raumfahrzeuge – weitgehend antriebslos – auf kraftfreien Schleifenbahnen um den L2 herumpendeln (siehe »Die Bahnen beider Observatorien«).

Irgendwann Anfang Januar sagte ich beim Frühstück ganz beiläufig ...

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Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 6/2022

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... zu meiner Frau: »Das James Webb Space Telescope ist jetzt auf dem Weg zu Gaia.« Ein paar Minuten später begann dieser unschuldige Satz gewaltig in meinem Gehirn zu rumoren: »Wenn die beiden also dann in der gleichen Gegend unterwegs sind und Gaia jeweils alle paar Monate den ganzen Himmel abtastet, hm, dann könnte es doch passieren, dass … «

Die Bahnen beider Observatorien

Im Weltraum beschreiben Gaia (gelb) und das James Webb Space Telescope (JWST; blauweiß) kuriose Bahnformen in 3-D. Der Lagrange-Punkt L2 des Sonne-Erde-Systems liegt genau im Zentrum der Schleifen von Gaias verwickelter Lissajous-Bahn. Die Halobahn des JWST hat einen Durchmesser von rund 800 000 Kilometern. Sie ist im Mittel ungefähr 100000 Kilometer näher an der Erde, die links außerhalb des Bildes liegt – zirka 1,5 Millionen Kilometer vom L2 entfernt. Der Versatz der Halobahn in Richtung Erde hat übrigens einen interessanten technischen Grund: Alle Düsen zur Bahnregelung dürfen beim JWST nur auf der erdzugewandten Seite des Sonnenschirms liegen, damit sich das ausströmende Gas nicht auf dem eiskalten Teleskop niederschlägt. Deshalb kann jegliche Bahnkorrektur immer nur mit einer Kraft erfolgen, die von der Erde weggerichtet ist. Der Versatz sorgt dafür, dass das Raumfahrzeug stets dazu neigt, vom L2 in Richtung Erde (nach links) zu fallen und niemals in die Gegenrichtung.

Eine erste Vorhersage

Kurz nach dem Einschwenken des James Webb Space Telescope (JWST) in seine Schleifenbahn um den L2 am 24. Januar war es dann so weit: Binnen eines Tages war die voraussichtliche Bahn für die nächsten Jahre hinreichend gut festgelegt. Die Rechnungen zeigten, dass die beiden Observatorien stets zwischen 0,4 und 1,1 Millionen Kilometer voneinander entfernt sein würden (siehe »Distanz zwischen Gaia und dem JWST«) und dass Gaias Routineabtastung des Himmels im Lauf der verbliebenen drei bis vier Missionsjahre Dutzende von Sichtungen erlauben würde – die erste davon schon am 18. Februar. Aber oje, diese erste Chance für einen Schnappschuss stellte sich als sehr ungünstig heraus: Mit 1,02 Millionen Kilometern erreichte die Distanz nahezu das mögliche Maximum, und zudem war ein Blickwinkel auf den riesigen Sonnenschirm von Webb nahezu genau von der Kante vorhergesagt: Nur sehr wenig reflektiertes Sonnenlicht war bei Gaia zu erwarten. Bei dieser Gelegenheit würde das strahlende neue Flaggschiff der wissenschaftlichen Raumfahrt also einen richtig blassen Eindruck hinterlassen. Es kamen sogar Zweifel auf, ob die vollautomatische Detektion an Bord von Gaia überhaupt gelingen würde.

Verschärfend kommt hinzu, dass Gaia sowieso nicht dafür ausgelegt und ge-baut wurde, richtige Bilder der zwei Milliarden Objekte aufzunehmen. Gaia soll deren Positionen, Entfernungen und Bewegungen mit bisher unerreichter Genauigkeit, sowie unter anderem Helligkeiten und Farben messen. Allerdings gibt es einen Teil der Instrumentierung, der doch Bilder aufnimmt: Es ist der Sky Mapper, die Sucherkamera von Gaia (siehe »Die Brennebene von Gaias Kamera«).

Im Millisekundentakt werden entlang der abgetasteten 360-Grad-Kreise winzige quer liegende Streifen des Himmels aus der Sky-Mapper-Kamera ausgelesen.

Diese werden binnen weniger Sekunden vollautomatisch auf sternartige Objekte durchsucht. Aus deren Positionen wiederum wird blitzschnell ausgerechnet, wo und wann die erkannten Objekte in den Hauptinstrumenten von Gaia auftauchen – danach werden die Sky-Mapper-Daten sofort gelöscht. Aber man kann dem Bordcomputer manuell befehlen, ausnahmsweise kleine Abschnitte der Bilder des Star Mapper nicht zu löschen, sondern bei nächster Gelegenheit zum Boden zu übertragen. Diese Möglichkeit war ursprünglich für rein technische Überwachungs-und Diagnosezwecke in die Bordsoftware einprogrammiert worden. Allerdings haben sich im Laufe der Mission auch einige wissenschaftliche Verwendungen dafür gefunden. Nun ja, warum nicht auf diese Weise versuchen, einen echten Schnappschuss von James Webb zu ergattern?

Jagd auf das JWST

Gesagt, getan! Juanma Martin-Fleitas, Kalibrationsingenieur von Gaia am Astronomiebetriebszentrum der ESA bei Villafranca (Spanien), übernahm die praktische Vorarbeit. Die Raumfahrtoperateure der ESA-Bodenstation in Darmstadt sandten einige Tage vor dem Ereignis die von ihm erstellten Computerbefehle hinaus zu Gaia. Und dann hieß es, Freitag, den 18. Februar abzuwarten. Zwei Gesichtsfelddurchgänge waren für 08:53 und 10:39 Uhr MEZ vorausgesagt, genau einer in jedem der beiden Teleskope von Gaia. Der nachfolgende Bodenkontakt zum Datentransfer fand erst in der Nacht zum Samstag statt. Die speziellen Sky-Mapper-Bilder waren sogar erst für Sonntag am Boden zu erwarten.

So lange wollte François Mignard aber nicht warten. Schon am Samstag früh spürte er im französischen Datenzentrum CNES in Toulouse manuell die entsprechenden Datensätze in dem riesigen vollautomatisch generierten Datenstrom der Hauptinstrumente auf. »Got it!!«, lautete der Betreff seiner E-Mail, die um 11:14 Uhr MEZ aus Nizza eintraf. Nur dieses eine Mal in fast 40 Jahren Zusammenarbeit zwischen François und mir habe ich erlebt, dass er doppelte Ausrufezeichen be-nutzt hat. Auch die ernsthaftesten Wissenschaftler erfreuen sich gelegentlich an netten Spielchen mit den fabelhaften Werkzeugen, die ihnen die europäischen Steuerzahler zur Verfügung stellen.

Distanz zwischen Gaia und dem JWST

D ie Grafik links illustriert die Positionen und Bahnen der relevanten Körper im Weltraum. Der Abstand zwischen den beiden Raumfahrzeugen variiert entsprechend den Ausschlägen nach oben und nach unten zwischen 0,4 und 1,1 Millionen Kilometern (Diagramm rechts). Die Kurve zeigt den Verlauf vom 1. Januar 2022 bis 31. Dezember 2023. Die rote Linie deutet den Abstand am 18. Februar 2022 an, als Gaia die Fotos des JWST aufnahm.

Die Sky-Mapper-Daten konnten erst am späten Montagabend in Villafranca ausgepackt und verarbeitet werden, und am Dienstagfrüh um 04:29 Uhr MEZ meldete Juanma: »I believe I’ve identified the candidate in both fields« (übersetzt: »Ich denke, ich habe den Kandidaten in beiden Feldern identifiziert«) als Begleittext zu den beiden vorverarbeiteten Bildern (siehe »Schnappschüsse von Webb«, S. 33).

Nach dem Aufstehen am Dienstag beseitigte ich rasch einige technisch bedingte Verzerrungen in den Aufnahmen und antwortete Juanma und allen direkt Beteiligten: »Your candidate can safely be renamed Webb.«, also: »Dein Kandidat darf ruhig in Webb umbenannt werden«.

Die Bestätigung

Aber wieso können wir so sicher sein, dass die beiden mickrigen Lichtpünktchen wirklich das JWST darstellen? Das lässt sich am besten anhand einer Abbildung begründen (siehe »Die Beobachtungen vom 18. Februar 2022«). Dabei handelt es sich um kein Bild des Himmels, sondern um eine Karte der Umgebung der vorhergesagten Positionen während der beiden Bildfelddurchgänge vom 18. Februar 2022.

Alle Punkte in der Karte symbolisieren die in diesem Bereich an jenem Tag vollautomatisch an Bord erkannten sternförmigen Objekte. Die Größe der Punkte ist ein grobes Maß für die Helligkeit. Die Zentren der beiden kleinen Kreise geben die exakten Vorhersagen für den Ort des Weltraumteleskops JWST an.

■ In jedem der beiden Kreise findet sich ein lichtschwaches und punktförmiges Objekt.

■ In den sieben Missionsjahren zuvor hat Gaia niemals an diesen Positionen einen Stern gesehen. Und, ganz wichtig, an beiden Positionen wurde das Objekt am 18. Februar nur einmal gesehen, das heißt, nicht in beiden Gesichtsfeldern wie die meisten anderen Sterne.

■ Keiner der rund eine Million bekannten Kleinplaneten stand zu jener Zeit an diesen Stellen.

■ Beide Bilder sind etwas gegen das Zentrum der Kreise versetzt, aber beide gleich weit und in derselben Richtung. Bei der gegebenen Distanz von 1,02 Millionen Kilometern entspricht der Versatz rund 40 Kilometern. Das ist die Ungenauigkeit der für die Beobachtungzeit vorausberechneten Bahnposition von Webb. Die Bahn von Gaia ist weitaus genauer bekannt.

Die Brennebene von Gaias Kamera

Die Gaia-Teleskope bilden zwei Gesichtsfelder am Himmel auf eine Kamera ab. Diese enthält 102 CCD-Lichtempfänger, die jeweils 4,5 × 6 Zentimeter groß sind. Durch die Sechs-Stunden-Rotation des Raumfahrzeugs wandern die Sterne von links ein, treffen zunächst auf die beiden langen Reihen von Sky-Mapper-CCDs (eine pro Gesichtsfeld) und wandern dann in etwa einer Minute durch das astrometrische Hauptmessfeld (neun CCD-Reihen) sowie die beiden Reihen zur Farbmessung. Teilweise treffen sie schließlich noch auf die drei kurzen CCD-Reihen des Gaia-Spektrografen (ganz rechts). Die beiden CCDs links unten und die Türmchen dienen der Justierung und Vermessung der Teleskope. Mit fast einer Milliarde Pixeln ist dies die größte Kamera, die je im Weltraum zum Einsatz kam. Astrium

Die Beobachtungen vom 18. Februar 2022

Dies ist kein Foto, sondern eine Sternkarte der Himmelsregion, in der Gaia das JWST am 18. Februar 2022 zweimal detektierte. Das Feld ist 0,3 × 0,35 Grad groß, also gut halb so groß wie der Vollmond am Himmel. Es liegt im Sternbild Stier (Taurus), ein wenig westlich des hellen Sterns Xi Tauri. Norden ist oben, Osten links.

Jede der kleinen Scheibchen in der Karte gibt die Position des Bildes eines sternartig erscheinenden Objekts an, das von der vollautomatischen Messprozedur an Bord von Gaia erkannt, zur genauen Vermessung erfasst und zur Erde gesendet wurde. Die Größe der Scheibchen ist ein Maß für die Helligkeit, wobei die Skala in Gaia-Größenklassen G links oben angegeben ist.

Die beiden weißen Pfeile geben die Rotationsrichtung von Gaia an diesem Tag an (AL: along-scan) beziehungsweise die Richtung senkrecht dazu (AC: acrossscan). Die Zentren der kleinen Kreise sind die für Webb vorhergesagten Positionen im vorangehenden Gesichtsfeld (PFOV: preceding field of view) beziehungsweise nachfolgenden Gesichtsfeld (FFOV: following field of view). Alle »Sterne«, die nur im PFOV detektiert wurden, sind in Weiß eingezeichnet; solche, die nur im FFOV gesehen wurden, in Rot. Zweimal detektierte Objekte sind blassrosa.

Neben den beiden Detektionen des JWST (kleine Kreise) zeigt die Karte etliche interessante Einblicke in die Arbeitsweise und Rohdaten von Gaia. Oben links gibt es beispielsweise nur rote Punkte. Dieser Bereich lag beim ersten Durchgang (PFOV) außerhalb des Gesichtsfeldrands. Durch die Verlagerung des 360-Grad-Rings am Himmel wurde er aber dann beim zweiten Durchgang vom FFOV miterfasst. Diagonal durch die Bildmitte zieht sich eine auffällige Kette von roten Punkten. Dieser Bereich fiel beim Durchgang des PFOV genau in eine der schmalen Lücken zwischen den Gaia-CCDs (siehe »Die Brennebene von Gaias Kamera«, S. 31). Es gibt vier weitere derartige Lücken in der Karte, aber nur in dieser einen liegen zufällig mehrere relativ helle Sterne. Ganz links ist eine kuriose Kette von kleinen weißen Punkten zu erkennen. Das sind keine Sterne, sondern Fehldetektionen entlang der ausgedehnten Beugungsspitze des hellen Sterns Xi Tauri. Schließlich ist anzumerken, dass neben James Webb und vielen Sternen auch natürliche Kleinkörper des Sonnensystems – drei bekannte Asteroiden – detektiert wurden (grüne Pfeile), die sich alle in nordöstlicher Richtung grob entlang der Ekliptik bewegen. Der obere der drei fiel im FFOV in eine CCD-Lücke.

Schnappschüsse von Webb

B eim ersten Gesichtsfelddurchgang erfasste der Sky Mapper von Gaia das große Bild rechts. Man erkennt darauf einige relativ helle Sterne, eine Anzahl schwächerer Sterne, einige punktförmige Störungen – und ein Raumfahrzeug! Es ist durch den grünen Kreis links markiert. Die rötliche Färbung des Bildes ist nur aus ästhetischen Gründen gewählt worden. Das große Inset links oben zeigt den Bereich des Kreises vergrößert – jetzt in voller Auflösung der Sky-Mapper-Daten. Das JWST ist das etwas ausgedehnte Lichtpünktchen im Zentrum. Die anderen drei hellen Punkte sind die Spuren von energiereichen Teilchen der kosmischen Strahlung (»Cosmics«), die während der 2,5 Sekunden Belichtungszeit den CCD-Chip durchschlagen haben. Die Instrumentensoftware an Bord kann diese Störungen vollautomatisch und mit hoher Zuverlässigkeit von echten Himmelsobjekten unterscheiden. Ein kleiner verbleibender Rest wird durch die nachträgliche Datenverarbeitung am Boden eliminiert. Das kleine Inset stellt das andere Foto des JWST der zweiten Gaia-Kamera dar, das 106,5 Minuten nach dem ersten im nachlaufenden Gesichtsfeld der Gaia-Teleskope aufgenommen wurde. Jedes der beiden Bilder des neuen Weltraumobservatoriums besteht aus knapp 1000 Sonnenlichtphotonen. Unter günstigeren Bedingungen kann Webb für Gaia mehr als 100-mal heller werden.

■ Die scheinbare Bewegung des fraglichen Objekts am Himmel in den 106,5 Minuten zwischen den beiden Beobachtungen entspricht exakt der Vorhersage aus der Kenntnis der Bahnen der Observatorien Gaia und Webb.

■ Sogar innerhalb der beiden Gesichtsfelddurchgänge konnte die Bewegung des Objekts mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Der Wert von ungefähr fünf Millibogensekunden pro Sekunde entspricht aufs i-Tüpfelchen der Vorhersage.

Diese Messung wird dadurch ermöglicht, dass jeder Stern oder Kleinplanet – oder was auch immer Gaia vor die Linse bekommt – bei einem Felddurchgang auf mindestens neun CCDs gemessen wird, jeweils im zeitlichen Abstand von 4,85 Sekunden (siehe »Die Brennebene von Gaias Kamera«, S. 31).

Also hat Gaia tatsächlich ihren neuen Nachbarn, das Weltraumobservatorium James Webb, schon bei der allerersten Gelegenheit gesehen und selbstständig in den wissenschaftlichen Datenstrom aufgenommen. Das wird in den nächsten Jahren wieder und wieder passieren. Aber all die anderen Gelegenheiten werden nicht mehr den gleichen Reiz besitzen wie diese erste – so wie auch im richtigen Leben jeder echten Premiere ein besonderer Zauber innewohnt.

Sieht das JWST auch Gaia?

Die Antwort lautet ja, aber im umgekehrten Fall sind die Verhältnisse vollkommen anders. Die Gesichtsfelder von Webbs Instrumenten sind winzig, und sie werden selbst bei einer Laufzeit von über einem Jahrzehnt nur einen minimalen Anteil der Himmelskugel jemals zu Gesicht bekommen. Man muss das Teleskop daher schon sehr gezielt und bewusst auf Gaia richten, um das Familienporträt zu komplettieren.

Aber im Gegenzug gibt es dann keinerlei Zweifel, dass Gaia auch gut sichtbar sein wird, allerdings wiederum nur als sternförmiges Lichtpünktchen, denn im Gegensatz zu Gaia kann beim JWST für jedes Zielobjekt die Belichtungszeit frei gewählt werden.

Schon am 16. Februar 2022 – also noch vor dem Schnappschuss durch Gaia – schrieb mir Uwe Lammers, der Gaia-Missionsmanager bei der ESA in Madrid ist, dass er die Kollegen von James Webb über unser kleines Projekt informiert habe: »Die sind Feuer und Flamme wegen der Idee, und sie stellen in Aussicht, sich zu revanchieren, dann also auch ein Bild von Gaia zu machen.« Diese Aussicht besteht allerdings erst am Ende der Inbetriebnahme von James Webb – also irgendwann diesen Sommer –, und auch nur, wenn dann noch ein kleines bisschen an Zeit und Nerven für ein nettes Spielchen übrig sein sollte. Man darf gespannt sein. ■

Weblinks

Weitere Informationen und das Gaia-Bild der Woche: suw.link/GaiaMeldung

ESA-Pressemitteilung vom 16. März 2022: suw.link/GaiaPM

Video von Stefan Jordan zu den Bahnen von Gaia und dem JWST: suw.link/GaiaJWSTVideo

Video von S. Jordan zum Ereignis vom 18. Februar 2022: suw.link/Gaia18Feb22

Animation der Himmelsüberdeckung von Gaia: suw.link/GaiaHimmel

Dieser Artikel und Weblinks: www.sterne-und-weltraum.de/ artikel/2005693