Das Gaia-Experiment

Ich hatte hier jüngst über die Gaia-Revolution gebloggt. Auch auf die Gefahr hin, wie eine Serie amerikanischer, strandurlaubstauglicher Thriller zu klingen, möchte ich hier noch nachlegen: zum Gaia-Experiment.

Exklusivität vs. Zugänglichkeit

Üblicherweise sind astronomische Daten zunächst nur denjenigen zugänglich, die die Beobachtungen durchgeführt oder beantragt haben. Typischerweise gilt: Wer Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop oder mit den Teleskopen der Europäischen Südsternwarte beantragt und (trotz beachtlicher Konkurrenz!) genehmigt bekommt, hat, wenn die Beobachtungen durchgeführt sind und die Daten vorliegen, ein Jahr Zeit, um die Daten selbst auszuwerten. Anschließend werden sie für jedermann zugänglich in ein Archiv gestellt. Wer ein eigenes Teleskop betreibt, hat natürlich sowieso exklusive Zugriffsrechte; unter Umständen sind die Daten selbst dann gar nicht öffentlich zugänglich (was sehr schade ist).

Archivdaten werden, sobald sie öffentlich zugänglich sind, nicht selten in einer Weise genutzt, die die Original-Antragssteller so gar nicht geplant hatten. Gar nicht so selten ist es, dass neue Aufnahmen eine neue Art von Auswertung der Daten erlauben – dass z.B. ein neu aufgenommenes Spektrum einer fernen Galaxie durch ein bereits im Archiv vorhandenes Hubble-Bild ergänzt wird, und beide Datensätze in Kombination eine Auswertung zulassen, die vorher nicht möglich gewesen wäre. Aber das kommt zu den ursprünglichen Beobachtungen hinzu – wer die Daten später noch einmal anders auswertet, steht nicht in Konkurrenz zu den ursprünglichen Wissenschaftlern.

Das Gaia-Experiment

Das macht das Gaia-Experiment so besonders. Für die Gaia-Mission, die Positionen, Bewegungsdaten, Helligkeiten von über einer Milliarde Sterne mit einer nie vorher erreichten Kombination aus Genauigkeit und Umfang gemessen hat, sollte es gerade keine bevorzugten Forscher geben. Selbst die Wissenschaftler, die an der Aufbereitung der Daten beteiligt waren, durften vorab keine Wissenschaft damit betreiben. Am 25. April um 12 Uhr mittags unserer Zeit wurden die Daten für alle interessierten Wissenschaftler weltweit freigeschaltet. Ich hatte ja direkt im Anschluss hier darüber gebloggt.

Hier ist noch einmal die wunderschöne Sternkarte von Gaia. Bild: ESA/Gaia/DPAC

Was begann war ein Experiment, von dem Wissenschaftshistoriker nur träumen können: man stelle der weltweiten Gemeinschaft der Astronomen mit einem Schlag einen großen Datensatz zur Verfügung, der so gut wie alle Bereiche der Astronomie tangiert, und schaue, was passiert.

Fortschritt zum Zusehen

Normalerweise geht der astronomische Fortschritt im eher gemächlichen Tempo vor sich, hier ein Schritt, da ein Schritt. Was jetzt passiert ist so, als wäre man Bäume gewohnt und würde stattdessen Bambus beim Wachsen zusehen. Eine Woche nach Veröffentlichung der Gaia-Daten gab es bereits rund 50 Artikel dazu auf dem arXiv. Klar, die sind noch nicht ordentlich in Fachzeitschriften mit Peer Review veröffentlicht. Aber sie zeigen sozusagen in Echtzeit, was die Forscher binnen weniger Tage aus den Gaia-Daten gewonnen haben:

Da ist es mit Gaia-Daten und den entsprechenden Entfernungsradien endlich möglich, genauere Angaben zu den Radien von rund 1000 Exoplaneten zu treffen (vorher Genauigkeit 11%, jetzt auf einen Schlag 5%). In Kombination mit Daten des Hubble-Weltraumteleskops liefern die Gaia-Daten Informationen zur Form des Halos aus Dunkler Materie, der unsere Heimatgalaxie einschließt.

Die Möglichkeit, mit den Gaia-Messungen genauere Sternabstände für zahlreiche Sterne zu erhalten, ermöglicht systematische Studien mit den physikalischen Eigenschaften anstatt bloß mit den beobachteten Eigenschaften solcher Sterne. (Wieviel Energie ein Stern pro Sekunde aussendet, ist eine physikalische Eigenschaft des Sterns; wieviel davon bei uns ankommt hängt nicht nur von dem Stern, sondern auch von Entfernung zwischen Stern und Detektor ab.) Entsprechende Diagramme, bei denen man Sternfarbe und Helligkeit gegeneinander aufträgt, erlauben es, jene Weißen Zwerge zu identifizieren, die aus der Verschmelzung von Vorläufersternen entstanden sind.

Die Wissenschaftler, die die LISA-Mission vorbereiten, bei der ein Gravitationswellendetektor in den Weltraum geschossen werden soll, konnten mithilfe von Gaia-Daten berechnen, von welchen der bekannten Doppelsternsysteme zu erwarten ist, dass LISA ihre Gravitationswellen messen kann.

Außerdem haben unterschiedliche Wissenschaftler mit Gaia-Daten die Eigenschaften von Schwarzen Löchern in unserer Milchstraße genauer berechnet, Sternströme unserer Milchstraße rekonstruiert, Hinweise auf ungewöhnliche Supernovae gefunden, Hinweise auf neue Gravitationslinsen entdeckt und Rückschlüsse auf die Dynamik unserer Milchstraße gezogen. Und wenn ich jetzt “und vieles mehr” schreibe, ist das keine Floskel. Was ich bislang schrieb, bezieht sich auf gerade einmal die Hälfte der vom obigen Tweet aus verlinkten Artikel.

Ein wissenschaftshistorischer Moment

Rückblickend wird das, was wir gerade erleben, sicherlich als etwas ganz Besonderes eingeschätzt. Es fällt mir auch tatsächlich kein Beispiel dafür ein, wann die Wissenschaft denn schon einmal in solch einer Situation gewesen wäre. Hier kam einfach vieles zusammen: (a) große Datenmengen, die (b) fundamentale Bedeutung haben und damit Auswirkungen auf die gesamte Astronomie, mit (c) rechtzeitiger Ankündigung, so dass alle Astronomen weltweit sich rechtzeitig überlegen konnten, was der Gaia-Daten-Release 2 für ihre Arbeit bedeutet und (d) eine Zeit, in der wir dank elektronischer Vorveröffentlichung auf dem arXiv fast in Echtzeit sehen können, was bei den weltweiten Forschungen herausgekommen ist.

Dann wird sicher auch jemand den Zeitverlauf auswerten – nachvollziehen, was wie schnell herausgefunden wurde. Vergleichen, wie zuverlässig die Resultate waren – was davon musste bis zur eigentlichen Veröffentlichung noch verändert werden? Wie lange dauerte es überhaupt jeweils bis zur Veröffentlichung? Gibt es einen “Gaia-Bump” insgesamt gesteigerter Produktivität, oder haben nur viele Gruppen zwischenzeitlich auf Gaia-Daten umgeschwenkt und dafür andere Forschung vernachlässigt?

Sicher ist nur, dass das, was hier gerade passiert, genau jetzt passiert, und dass wir live miterleben können, was sich aus den Gaia-Daten entwickelt.

…und wie konnte/kann man davon erfahren?

Auch für die Forschungen zur Wissenschaftskommunikation wird es spannendes Material zum Auswerten geben. In den Massenmedien ist die Gaia-Datenveröffentlichung weitgehend untergegangen. In diesem Beitrag auf SPIEGEL Online liest es sich so, als sei eben im wesentlichen eine neue, genauere Himmelskarte veröffentlicht worden.  Auf welt.de, bei der Süddeutschen und der Zeit habe ich vergeblich nach einem Gaia-Beitrag gesucht. Ebenso bei der Tagesschau. Beim Deutschlandfunk gab es immerhin ein Vorab-Interview; zu dem, was da jetzt gerade abläuft, habe ich dort nichts gefunden. Selbst bei den Kollegen von Spektrum/Sterne und Weltraum finde ich derzeit nur einen kurzen Artikel zur Datenveröffentlichung, der zwar verheißt, wie groß die Auswirkungen der neuen Daten sein werden, aber noch nichts zur aktuellen Entwicklung sagt.

Lobende Erwähnung verdient die FAZ. Las sich der erste Beitrag (vom 26.4., Der schärfte Blick auf unsere kosmischen Nachbarn) noch recht konventionell als Himmelskarten-Beschreibung gibt Wenn Wissenschaft sich wie Weihnachten anfühlt gut wieder, was da gerade besonderes passiert – aber die Autorin, Sibylle Anderl, ist eben auch selbst Astrophysikerin und hat einen guten Überblick darüber, was da in der Community läuft.

Aber insgesamt ist mein Eindruck, zumindest bislang: da passiert etwas ganz Besonderes, vermutlich etwas bislang Einmaliges in der Astronomie. Ein Revolution ebenso wie ein Experiment, und eine Fülle am (zugegeben: vorerst nur vorab veröffentlichten) neuen Ergebnissen aus allen Bereichen. Und in den herkömmlichen Medien findet man so gut wie nichts darüber. Vielleicht ändert sich das ja noch – aber ich weiß wirklich nicht, wie hoch ich bei solcher Funkstille die Wahrscheinlichkeit einschätzen soll, dass da evt. bloß lauter Autoren und Redakteure an Langformaten sitzen, die noch ein paar Tage benötigen, bis sie fertig sind.

Wer über das, was da gerade in der Astronomie brodelt, auf dem Laufenden bleiben wollte, wurde in den sozialen Medien fündig. Wer auf Twitter Astronomen folgt, bekam direkt mit, was sich da anbahnte, und Hinweise auf die schönsten und spektakulärsten Vorab-Ergebnisse wurden vielfach geteilt. Wer dem ESA-Astronomen Jos de Bruijne oder meinem Heidelberger Kollegen Stefan Jordan auf Twitter folgte, bekam aus nächster Nähe mit, was sich da entwickelte. Allgemein findet man unter dem Hashtag #GaiaDR2 viele der neuen Ergebnisse. Jüngst gerade dieses kumulative GIF, das die Anzahldichten von Sternen am Himmel zeigt – und damit direkt ein Bild der Milchstraße:

(Durchaus enttäuschend dagegen das offizielle Twitterkonto @ESAGaia der ESA – dort findet man so gut wie nichts zu den spannenden Forschungen mit Gaia-Daten; stattdessen bieten die ESA-Kollegen da eher eine Nabelschau eigenen Materials zur Mission. Was für eine verpasste Chance!)

Bei den Blogs sah es damit verglichen eher ruhig aus. Daniel Fischer hat auf SkyWeek 2.0 Gaia-Highlights mit gewohnter Gründlichkeit und gewohntem Drang zur Vollständigkeit gesammelt und vorgestellt. Bei Florian Freistetter habe ich, für mich recht überraschend, gar nichts zum Thema gefunden. Über den Atlantik geschaut: auch bei Phil Plait gibt es etwas zur Gaia-Sternkarte, aber nichts zu dem Boom, der da gerade stattfindet. Auf den Scientific American Blogs gibt es immerhin etwas zur Goldgräberstimmung, aber bislang keinen Follow-Up zu den weiteren Entwicklungen.

Wer in der letzten Woche wissen wollte, was sich gerade an historisch spannenden Dingen in der Astronomie tut, war offenbar auf Twitter am besten aufgehoben. Auch das ist doch mal ein durchaus interessantes Teilergebnis des Gaia-Experiments.

[Offenlegung: bei einem Teil der Gaia-Datenveröffentlichung habe ich auch den Hut des Leiters der Öffentlichkeitsarbeit des MPI für Astronomie auf; der stammt von einer Gruppe aus unserem Institut.]

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

21 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Bei Florian Freistetter habe ich, für mich recht überraschend, gar nichts zum Thema gefunden.

    Es gibt leider so viele interessante Themen und viel zu wenig Zeit. Ich schaff ein, zwei ausführlichere Artikel pro Woche – aber bei so etwas enormen wie GAIA DR2 muss man sich wirklich viel Zeit nehmen, um das durch- und aufzuarbeiten. Das schaffe ich momentan nicht (ich bin schon froh, wenn ich bei meiner ganzen Reiserei mal lang genug zuhause bin um die Wäsche zu waschen). Aber die Wissenschaft läuft ja nicht weg. Und es lohnt sich sicher auch noch, wenn man später mal auf GAIA schaut und auf das, was dann – mit ein wenig Abstand – alles dazu in den journals publiziert worden ist.

    P.S. Über die Vorgeschichte von GAIA und die große Bedeutung dieser Mission hab ich allerdings schon was geschrieben. Zum Beispiel hier:

    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2011/07/13/die-geschichte-der-besten-sternenkarte-der-welt/
    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2013/12/04/gaia-das-revolutionaere-weltraumteleskop/?all=1
    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2015/01/21/der-fluch-der-praezision-die-raumsonde-gaia-und-die-mikrometeoroide/?all=1

    • @Florian Freistetter: Sorry, das war von meiner Seite auch wirklich nur so gemeint gewesen: Üblicherweise findet man bei dir zu den Themen, die aktuell sind, in der Regel etwas; deswegen war ich überrascht, dass es diesmal anders war. Das sollte insbesondere keine Anspruchshaltung ausdrücken. Und es ist klar, dass du natürlich auch nur 24 Stunden pro Tag zur Verfügung hast. Und man kann ja nicht immer die Nacht noch dazu nehmen…

      Danke jedenfalls für die Links!

  2. Auch Natalie Wolchover vom Quanta Magazine macht nun im Artikel What Astronomers Are Learning From Gaia’s New Milky Way Map eine Rundtour durch einige Veröffentlichungen aufgrund der neuen Gaia-Daten. Es geht unter anderem um
    – galaktische Substrukturen, die Bögen , Schneckenhäuser und Grate zeigen
    – galaktische Sternströme und ihre Rückrechnung (aufgrund der Sterngeschwindigkeiten) in die Vergangenheit und damit Aufschlüsselung der Ursachen dieser Sternströme (z.B Kollisonen/Einverleibungen von Satellitengalaxien etc.)
    – Identifikation superschneller weisser Zwerge, die aus der Milchstrasse herausfliegen, was Auftrieb für das D6-Szenario gibt (D6= “dynamically driven double-degenerate double-detonation” als Folge von Kanibalismus bei sich eng umkreisenden weissen Zwergen, einem Kanibalismus, der schliesslich zur Ejektion eines Partners führt)
    – Bestimmung der Totalmasse der Milchstrasse (inklusive dunkle Materie) auf 1.5 Billionen Sonnenmassen

    Dieser eben veröffentlichte zweite Gaia-Datensatz ist wirklich ergiebig. Umgekehrt könten man auch folgern, dass vor Gaia die Datenbasis betreffend unsere Milchstrasse sehr dünn, ja enttäuschend dünn, war. Ein noch weiter grösseres Gaia-Nachfolgeexperiment könnte wohl noch viel mehr und viel detaillertere Informationen über unsere stellare Nachbarschaft bringen. Schon jetzt ist Gaia ja in der Lage, allein aufgrund der Hin-und Herbewegung von Sternen auf begleitende Exoplaneten zu schliessen (mindestens die grösseren Exemplare) – etwas was von der Erde aus bisher nicht gelang. Ein um den Faktor hundert empfindlicheres Gaia II könnte wohl gar einen Katalog sämtlicher sternnaher Exoplaneten in unserer galaktischen Nachbarschaft erstellen. Dann wüsste man wo es sich lohnt genauer hinzuschauen. Ich denke in 100 Jahren wird man wohl alle erdähnlichen Planeten in unserer Sternnachbarschaft kennen und ein Gaia-Nachfolgesatellit wird dafür gesorgt haben, dass wir keine Zwillingserde übersehen.

    • Ergänzung: Gaia ist ja ein Astrometrie-Satellit, also ein Satellit zur Vermessung von Sterneigenschaften, beispielsweise der Position eines Sterns in der Beobachtungsebene (bei Gaia auf 20 Millionstel Bogensekunden genau). Wären Positionsbestimmungen von Sternen bis auf Bruchteile von Mikrosekunden möglich, dann könnte man auch kleine Exoplaneten allein aufgrund des Hin- und Herschwankens ihrer Muttersterne in der Beobachtungsebene finden. Darüber liest man in der Kurzzusammenfassung von Future Astrometric Space Missions for Exoplanet Science (übersetzt von DeepL): Die hochpräzise Astrometrie auf Submikrobogensekundenebene öffnet ein Fenster, um erdähnliche Planeten in den bewohnbaren Zonen sonnenähnlicher Sterne zu untersuchen und ihre Massen zu bestimmen. Es verspricht also, in Zukunft eine wichtige Rolle in der Exoplanetenforschung zu spielen. Diese Präzision kann jedoch nur aus dem Weltraum gewonnen werden und erfordert eine spezielle Instrumentierung für eine ausreichende astrometrische Kalibrierung. Hier stellen wir Ihnen eine Reihe von Konzepten zur Bewältigung dieser Aufgabe vor. STARE ist ein Kleinsatellitenkonzept, das der Suche nach Planeten in den nächstgelegenen Sternensystemen gewidmet ist und eine kostengünstige Möglichkeit zur Erforschung bewohnbarer Planeten bietet. Das NEAT-Konzept besteht aus zwei Formationsflug-Satelliten mit dem Ziel, die 200 nächstgelegenen sonnenähnlichen Sterne für die Erde in der bewohnbaren Zone zu vermessen. Schließlich ist THEIA ein Vorschlag für eine Mission der ESA M-Klasse, mit einem Einzelteleskop, das sowohl für Untersuchungen der dunklen Materie als auch für eine Untersuchung von bewohnbaren erdähnlichen Planeten unter den 50 nächstgelegenen Sternen entwickelt wurde. Die Konzepte zeigen verschiedene mögliche Wege und Strategien auf, um exquisite astrometrische Leistungen zu erzielen und damit zentrale wissenschaftliche Fragen zur Verteilung von Bewohnbarkeit und Leben im Universum zu beantworten.

  3. Markus Poessel,
    wenn die Gaia Raumsonde, so viele Daten liefern kann, wie sieht es dann mit der Zukunft von Sternwarten aus? Bekommen die dann noch genügend Gelder bei Reparaturen?

    • @hmann: Gaia misst ja nur ganz bestimmte Daten. Teleskope und Observatorien liefern dazu komplementäre Daten – Detailbilder kleiner Himmelsausschnitte, auf denen nicht nur die Punktquellen wie bei Gaia sondern auch flächige Objekte wie z.B. Galaxien zu sehen sind, und das auch in anderen Wellenlängenbereichen als bei Gaia. Da gibt es keine direkte Konkurrenz, im Gegenteil: was man jetzt aus den Gaia-Daten herausfindet, wird viele neue Anlässe für komplementäre Beobachtungen liefern.

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