GAIA maakt de nauwkeurigste kaart van de Melkweg
De Gaia ruimtetelescoop van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA maakt de meest nauwkeurige kaart van ons sterrenstelsel, de Melkweg. Door het heel nauwkeurig meten van posities, snelheden en banen van ongeveer 2 miljard van de helderste sterren aan de sterrenhemel stelt Gaia astronomen niet alleen in staat om het sterrenstelsel te zien zoals het er tegenwoordig uit ziet maar ook kunnen ze miljarden jaren terug en vooruit in de tijd kijken.
Hoewel Gaia niet zo’n begrip is als de Hubble Space Telescope of de Webb Space Telescope heeft het instrument een revolutie teweeggebracht in de studie van de Melkweg en sprongen in ons begrip van de evolutie van de Melkweg mogelijk gemaakt die voorheen onmogelijk was. Gedurende vele jaren is het de astronomische ruimtemissie geweest die de meeste wetenschappelijke artikelen heeft voortgebracht.
Sinds de lancering in 2013 heeft Gaia drie reeksen gegevens vrijgegeven, met steeds nauwkeurigere metingen en nieuwe soorten informatie over leeftijden, massa’s, helderheidsniveaus en chemische samenstellingen van sterren in de Melkweg.
Hoe bestudeert Gaia de Melkweg?
Gaia bevindt zich in het Lagrangepunt L2, op een afstand van ongeveer 1,5 miljoen kilometer van de Aarde. De ruimtesonde draait synchroon met onze planeet om de Zon. Afgeschermd door de Aarde tegen de schittering van de Zon maar ook vrij van de vervormende effecten van de atmosfeer van de Aarde die waarnemingen met telescopen op de grond teisteren. De ruimtesonde scant elke twee maanden de hele hemel af.
De 2,3 meter brede Gaia is bevestigd aan een 10 meter cirkelvormige zonnekap en is uitgerust met twee telescopen die 106° uit elkaar staan. De telescopen projecteren het licht dat ze vangen op een camera van 1 miljard pixels. Deze onderscheidt de kleinste details van het omringende heelal. In plaats van spectaculaire beelden te maken stellen deze telescopen astronomen in staat een paar belangrijke parameters te bepalen die de afstanden van sterren tot Gaia onthullen, evenals hun posities en bewegingen langs het vlak van de hemel.
Naast de twee telescopen heeft Gaia ook blauwe en rode fotometers bij zich die de helderheid en kleur van de waargenomen sterren meten. Uit deze metingen kunnen astronomen temperaturen, massa’s, leeftijden en samenstellingen van sterren afleiden.
Een radiale snelheidsmeter is ook aan boord van Gaia. Dit instrument meet hoe snel sterren naar of van Gaia af bewegen. Het instrument laat ook zien hoe deze sterren licht absorberen en hieruit kan dan weer de chemische samenstelling worden afgeleid.
De twee miljard sterren die Gaia onderzoekt vertegenwoordigen slechts ongeveer 1% van de stellaire populatie van de Melkweg. Maar met behulp van slimme algoritmen en veel wetenschappelijke kennis kunnen astronomen de Melkweg als geheel reconstrueren op basis van de waarnemingen van de missie.
Elke dag stuurt Gaia 20 tot 100 gigabyte aan gegevens naar de Aarde. Dit staat gelijk aan 850 miljoen individuele sterwaarnemingen. Voordat de bredere wetenschappelijke gemeenschap de gegevens mag gebruiken en de mysteries van het heelal daarmee kan ontrafelen besteedt het Gaia Data Processing and Analysis Consortium (DPAC) bestaande uit meer dan 400 onderzoekers en software ingenieurs verspreid over zes supercomputercentra in Europa, jaren aan het verwerken van en het kalibreren en valideren van de gegevens.
Elke ster wordt gemiddeld 75 keer per vijf jaar gemeten. Dat betekent dat bij aanvang van het project men vele biljoenen individuele sterwaarnemingen heeft. Deze gegevens moeten worden verwerkt tot een catalogus die voor elk van de bijna twee miljard sterren die worden gemeten, slechts vijf parameters voor astrometrie (positie en beweging van sterren) heeft en vervolgens met aanvullende parameters voor helderheid en spectra wordt voorzien.
Uiteindelijk zal dit leiden tot een catalogus die meer dan een petabyte aan informatie bevat. Afgedrukt op A4-papier wordt dat een stapel met een hoogte van ongeveer 100 kilometer.
Waarom was het moeilijk om het heelal te bestuderen vóór Gaia?
Vóór Gaia verliep het in kaart brengen van de Melkweg traag en moeizaam. Het is te vergelijken met het tekenen van een gebouw terwijl je er zelf in zit. Om de vorm van de Melkweg te begrijpen moet je weten waar de afzonderlijke sterren zijn. Maar de sterren staan heel ver uit elkaar en heel ver weg. Om hun posities in drie dimensies nauwkeurig te meten is extreme precisie vereist.
Om de zaken in perspectief te plaatsen: in het begin van de jaren ’90 wisten astronomen, volgens de ESA, de nauwkeurige posities van slechts ongeveer 8000 sterren. Door voortschrijdende telescooptechnologie konden ze geleidelijk de omvang van de stercatalogi vergroten en hun nauwkeurigheid verbeteren. Maar de effecten van de aardse atmosfeer beperkten hun mogelijkheden. De zaken kwamen pas goed op gang na de lancering van de voorganger van Gaia, de Hipparcos-missie van de ESA, begin jaren ’90. Hipparcos bracht de posities van slechts ongeveer 100.00 sterren in kaart. Peanuts vergeleken met de twee miljard van Gaia.
Hipparcos was gebouwd met technologie van de jaren ’80. Er was heel weinig geheugen aan boord van de satelliet en er was tijdens de waarnemingen een constante communicatie tussen satelliet en het grondstation. De detectoren waren veel eenvoudiger. Hipparcos kon geen zwakke sterren zien en de hele missie was veel minder flexibel.
De stapsgewijze verandering tussen Hipparcos en Gaia was vooral te danken aan verbeteringen in digitale technologie. Toch lijken Gaia’s detectoren en camera’s vanuit het perspectief van vandaag misschien verouderd, ze waren state-of-te-art toen in het begin van de jaren 2000 werd begonnen met de ontwikkeling van de missie.
Wat heeft Gaia tot nu toe ontdekt?
Sinds de release van de tweede batch gegevens in 2018 genereert de missie gestaag gemiddeld vijf wetenschappelijke artikelen per dag en dat maakt het kiezen tussen hoogtepunten nogal lastig.
Vijf jaar geleden kenden we de eigenbewegingen van de Magelhaanse Wolken niet. Tegenwoordig kennen astronomen niet alleen de eigenbewegingen van de Magelhaanse Wolken met een ongekende nauwkeurigheid maar weten ze ook precies wat er binnen de wolken gebeurt.
De kleine Magelhaanse Wolk en de Grote Magelhaanse Wolk zijn twee dwergsterrenstelsels die in een baan om de rand van de Melkweg draaien. De sterrenstelsels, zo onthulde Gaia, werden pas een paar miljard jaar geleden door de zwaartekracht van de Melkweg ingevangen en ze zullen uiteindelijk ermee versmelten.
Elke Gaia gegevens release wordt geleverd met de tag van de beste Melkwegkaart tot nu toe en dat zal het geval blijven bij elke toekomstige release naarmate de gegevens nauwkeuriger worden. De missie is ook in staat om steeds verder verwijderde sterren te zien en nieuwe informatie te onthullen, zoals de chemische samenstelling van sterren. Hierdoor wordt deze kaart ook steeds kleurrijker.
De Gaia-missie krijgt ook de credits voor het ontstaan van de galactische archeologie. Met behulp van algoritmes doorzoeken astronomen de gegevens van de missie op zoek naar patronen in de beweging van sterren. Aangezien objecten in de ruimte de wetten van de fysica volgen kunnen astronomen de film over de evolutie van de Melkweg miljarden jaren terugspoelen in het verleden en in de toekomst.
Geleidelijk voegen ze het verhaal van het leven van de Melkweg samen en vinden ze bewijs van oude botsingen waardoor het sterrenstelsel zich heeft gevormd tot zijn huidige vorm; een enorm spiraalstelsel dat 200 miljard sterren omvat.
Astronomen hebben ontdekt dat de ontluikende Melkweg zo’n 10 miljard jaar geleden insloeg op een ander sterrenstelsel dat op dat moment ongeveer vier keer kleiner was dan de Melkweg. Restanten van dit sterrenstelsel, Gaia Enceladus gedoopt, hebben geleid tot de halo van de Melkweg. De halo is de bol van dun verspreide sterren rond de veel massievere galactische schijf.
Astronomen denken dat de botsing met Gaia Enceladus de laatste belangrijke fusie was die de Melkweg onderging.
De toenemende precisie van de gegevens maar ook de nieuwe parameters die worden vrijgegeven stellen astronomen in staat om in een nog verder verleden te kijken.
Analyse van Gaia-gegevens onthulde ook dat de schijf van de Melkweg is vervormd en niet vlak is. Ook wiebelt deze schijf als een tol. Deze wiebeling is mogelijk te danken aan de botsing met een ander dwergsterrenstelsel, Sagittarius genoemd, en astronomen verwachten hier binnenkort meer over te weten te komen.
Gaia hielp ook bij het beantwoorden van enkele diepgaande vragen over de kenmerkende spiraalstructuur van de Melkweg en de aard en het karakter van de spiraalarmen.
De nieuwste gegevens die op 13 juni 2022 werden vrijgegeven bevatten de grootste dataset van dubbelsterrensystemen ooit. Ook bevatten ze het grootste onderzoek naar de chemische samenstelling van asteroïden in ons zonnestelsel. In de toekomst is het team van plan zich te concentreren op de ontdekking van exoplaneten die rond verre sterren draaien.
Meer lezen: De GAIA-missie
Eerste publicatie: 11 augustus 2018
Volledige revisie: 14 juni 2022
Bron: space.com, ESA & anderen
