Gaia war ein Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), das den gesamten Himmel hochgenau dreidimensional optisch durchmusterte. Es war spezialisiert auf Objekte der Magnituden 3 bis 21, weshalb die hellsten Sterne wie Sirius oder Arktur nicht mit voller Genauigkeit erfasst wurden. Rund ein Prozent der Sterne der Milchstraße wurden astrometrisch, photometrisch und spektroskopisch mit bis dahin unerreichter Genauigkeit erfasst. Neben der genauen dreidimensionalen Position wurde durch wiederholte Beobachtung auch die Bewegungsrichtung der Objekte bestimmt. Bei Objekten mit einer Magnitude von 16 oder heller wurde zusätzlich das Spektrum analysiert, woraus sich Radialgeschwindigkeit, Spektralklasse, Temperatur, tatsächliche Leuchtkraft und weitere Daten ermitteln ließen.
Die Gaia-Mission war der wissenschaftliche Nachfolger der Hipparcos-Mission der ESA (1989–1993) und sollte letztlich bis zu 200-mal genauer die Positionen bestimmen, 10.000-mal mehr Objekte untersuchen und 100.000-mal mehr Daten produzieren als die Vorgängermission. Die Raumsonde befand sich hierfür auf einem Lissajous-Orbit um den Sonne-Erde-Lagrange-Punkt L2.
Der Name Gaia war ursprünglich ein Akronym für „Globales Astrometrisches Interferometer für die Astrophysik“.Gaia-FAQ auf den ESA-Webseiten, https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Frequently_Asked_Questions_about_Gaia Er bezog sich auf die ursprünglich für dieses Teleskop geplante Technik der optischen Interferometrie. Der Name wurde beibehalten trotz des im Laufe der Planungen geänderten Messprinzips, jedoch wurde die Schreibweise von GAIA in Gaia geändert. Der Name war auch eine Anlehnung an die Erdmuttergöttin Gaia der griechischen Mythologie.
Die ESA bestätigte Gaia im Jahr 2000 im Rahmen des Programms Horizon 2000 Plus als priorisierte Mission und gab 2006 den Bau der Raumsonde in Auftrag. Sonde und Nutzlast wurden von europäischen Unternehmen gebaut. Der Start war am 19. Dezember 2013. Die Primärmission dauerte bis zum 25. Juli 2019, anschließend wurde die Mission mehrfach verlängert bis zum 15. Januar 2025. Am 27. März 2025 wurde das Teleskop außer Betrieb genommen.
Seit Missionsbeginn wurden vier Kataloge veröffentlicht: Gaia DR1 mit 1,1 Milliarden Objekten, Gaia DR2 mit 1,7 Milliarden Objekten, Gaia EDR3 und Gaia DR3 mit 1,8 Milliarden Objekten. Weitere erweiterte und verbesserte Kataloge sind angekündigt. Alle veröffentlichten Daten sind in einer Datenbank über das Internet für die Allgemeinheit zugänglich.https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/data-release-3
Initiiert wurde Gaia von Lennart Lindegren und Michael Perryman, die zusammen 2022 den Shaw-Preis erhielten und schon wesentlich an dem Vorgänger Hipparcos beteiligt waren.
Wissenschaftliche Ziele Die hochpräzise Vermessung von Himmelsobjekten erfordert eine ungestörte Beobachtung. Beobachtungen von der Erde aus unterliegen vielen Störquellen, beispielsweise Erschütterungen des Teleskops durch Mikrobeben oder Verzerrungen durch die Brechung des Lichts an den Luftschichten, Turbulenzen der Erdatmosphäre, Veränderungen der Messwerte durch Temperaturschwankungen, Luftdruckänderungen, Luftfeuchtigkeit, Beobachtungswinkel, Dunst, Wolken etc. Nur vom Weltall aus sind Beobachtungen mit der gewünschten Präzision möglich.
Die Positions- und Parallaxengenauigkeit wird nach den Modellen für helle Sterne (G-Band-Magnitude < 15) besser als 25 µas (Mikrobogensekunden) sein und bei den schwächsten Sternen (bei G = 20) je nach Spektralklasse auf rund 300 µas abfallen. Letzterer Wert übertrifft immer noch die bisher genauesten Messungen (500 bis 2000 µas) im Rahmen der Hipparcos Mission an deutlich helleren Sternen. Nach Abschätzungen im Vorfeld der Mission sollte Gaia in den folgenden Größenordnungen Objekte finden und mit Daten beschreiben: Mehr als 1 Milliarde Objekte bis zu einer Magnitude von 20 werden im Mikrobogensekundenbereich vermessen und ihre Magnitude und Farben bestimmt. Für die hellsten 100 bis 200 Millionen Sterne bis zu einer Magnitude von 16 soll Gaia zusätzlich gut aufgelöste Spektren liefern, aus denen Radialgeschwindigkeit, Temperatur, Oberflächengravitation und chemische Zusammensetzung bestimmt werden können. Bis zu einer Million Asteroiden und Kometen innerhalb des Sonnensystems. 10.000–50.000 Exoplaneten außerhalb des Sonnensystems. 50.000 Braune Zwerge. Mehrere hunderttausend Weiße Zwerge. Über 20.000 Supernovae. Hunderttausende aktive Galaxien und 500.000 Quasare.
Milchstraße mini|hochkant=1.3|Prinzip der Sternparallaxe: Durch die jährliche Bewegung der Erde um die Sonne verschiebt sich ein naher Stern vor dem entfernten Hintergrund im Halbjahresrhythmus (hier stark übertrieben)
Die Gaia-Mission untersucht den Ursprung und die Entwicklung der Milchstraße. Dazu bestimmt Gaia mit bis dahin unerreichter Genauigkeit die Positionen, Entfernungen (Parallaxen) und Bewegungen (Eigenbewegungen, Radialgeschwindigkeiten) von mehr als einer Milliarde der über 100 Milliarden Sterne der Milchstraße. Jeder Stern wurde während der nominalen Missionsdauer etwa 70-mal erfasst. Dies waren durchschnittlich 40 Millionen Sternbeobachtungen pro Tag. Aus den Bewegungen der Sterne und deren Abschattung durch Staub- und Gaswolken gewinnt man neue Erkenntnisse über die Verteilung von stellarer Materie, von interstellarer Materie und Dunkler Materie.
Parallaxen können mit Gaia bis ungefähr zur 20. Größenklasse bestimmt werden. Für Sterne bis zur 15. Größenklasse können Entfernungen in der Nähe des Zentrums der Milchstraße (8 kpc) noch auf etwa 20 Prozent genau bestimmt werden.
Sternentwicklung Neben Informationen über die Struktur und Entwicklung der Milchstraße ergeben sich von diesen Daten neue Erkenntnisse über den inneren Aufbau, die Entstehung und Entwicklung von Sternen. Durch Ermittlung genauerer Positionsdaten und Entfernungen kann die absolute Leuchtkraft der einzelnen Sterne deutlich genauer als bisher bestimmt werden. Die von Gaia gesammelten Messdaten liefern Informationen darüber, wo, wann und wie die Sterne entstanden sind und wie sie ihre Umgebung mit Materie anreichern, wenn sie sterben. Durch Ermittlung von Spektren und Bewegungsrichtungen wurden Gruppen von Sternen gefunden, die ein ähnliches Alter, ähnliche Zusammensetzung und einen gemeinsamen Ursprung haben.
Veränderliche Sterne Die wiederholten Messungen ergeben eine computergestützte Erfassung von veränderlichen Sternen wie Cepheiden und RR-Lyrae-Sternen mit zusätzlichen Daten und Spektren. Außerdem werden unerwartete photometrische Veränderungen wie z. B. durch Okkultationen, Gravitationslinsen oder durch Supernovae erfasst und zeitnah veröffentlicht.
Doppelsterne und Mehrfachsterne Die Mission soll zahlreiche Doppel- und Mehrfachsterne auflösen und deren Verständnis verbessern. Die Schwingungen von nicht aufgelösten Doppelsternen, die die Parallaxenmessungen und Bewegungsmessungen überlagern, können dazu genutzt werden, solche Systeme aufzuklären. Periodische photometrische Veränderungen werden erfasst und analysiert.
Exoplaneten Die Beobachtungen erlauben die Erfassung von Exoplaneten mit der astrometrischen Methode. Exoplaneten mit Massen ähnlich wie Jupiter und mehrjährigen Umlaufzeiten werden anhand der Bewegungen des Sterns um das gemeinsame Baryzentrum erkannt, einschließlich Bestimmung der Massen. Der Übergangsbereich zwischen großen Exoplaneten und Braunen Zwergen wird genauer bestimmt. Gaia gelang auch der Nachweis eines Exoplaneten mit der Transitmethode durch Analyse der periodischen Magnitudenänderung.
Sonnensystemobjekte Gaia erfasste alle Objekte am Himmel, außer solche mit einer sehr hohen scheinbaren Geschwindigkeit von mehr als 15 mas/s. Bewegungen wurden vor allem in Scanrichtung erfasst. Starke Bewegungen quer zur Scanrichtung bewirkten, dass das Objekt während des Belichtungszeitraums aus dem Scanfenster herauswanderte und als fehlerhafte Messung verworfen wird. Da Gaia aber im Verlauf der Mission in unterschiedlichen Richtungen scannte, gab es die Möglichkeit, dasselbe Objekt in einem günstigeren Winkel zu erfassen. Die vergleichsweise starke Bewegung von Objekten des Sonnensystems (Solar System Objects, SSO) bewirken, dass sie auf dem Sensor nicht punktförmig, sondern langgezogen erschienen. Die Planeten des Sonnensystems waren zu groß und meistens zu hell für Gaia, jedoch konnten eine Reihe von Planetenmonden erfasst werden.
Hauptgürtelasteroiden Asteroiden und Kometen waren gut für die Erfassung geeignet, und Gaia wird für viele dieser Objekte sehr präzise Bahndaten ermitteln. Gaia wird auch neue Objekte finden, die sich weit von der Ebene der Ekliptik oder innerhalb der Erdbahn befinden. Das Gaia-Projekt gibt Meldungen („Science Alerts“) aus, damit die gefundenen Objekte durch erdbasierte Beobachtungen weiterverfolgt werden können und genügend Beobachtungen gemacht werden, damit die Bahndaten präzise genug berechnet werden können und die Objekte nicht wieder verloren gehen. Für Objekte, die sich während der Beobachtungsphase gegenseitig nähern, führt Gaia Massenberechnungen durch. Es wird erwartet, dass die meisten gefundenen Objekte Hauptgürtelasteroiden sind.
Erdnahe Objekte Insgesamt wird die Vermessung von mehreren tausend erdnahen Objekten (Near-Earth Objects, NEOs) erwartet, sowohl Asteroiden als auch Kometen. Da Gaia Objekte von einer anderen Perspektive als von der Erde aus erfasst, können auch manche Objekte vermessen werden, die von der Erde aus kaum beobachtbar sind, weil sie von der Sonne überstrahlt werden. Gaia soll so auch Objekte innerhalb der Erdumlaufbahn finden. Die Vermessung von Bahnstörungen wird die Berechnung der Masse von ungefähr 150 Asteroiden ermöglichen.
Kuipergürtelobjekte Die meisten Objekte des Kuipergürtels sind zu lichtschwach für eine Erfassung, aber die größten Objekte werden gefunden. 2009 waren etwa 800 Objekte im Kuipergürtel bekannt. Transneptunische Objekte und Zentauren sind im Allgemeinen sehr lichtschwach, sodass nur ungefähr 65 davon bekanntermaßen heller als 20 mag und 138 heller als 21 mag sind. Gaia kann entsprechend nur wenige neue dieser Objekte finden, aber auch solche in Richtung der Milchstraße, die schwer zu entdecken sind, oder die eine große Bahnneigung haben und sich fern von der Ekliptik befinden. Gaia erkennt unter diesen auch binäre Objekte.
Lokale Gruppe mini|Die Lokale Gruppe – die Milchstraße und die Andromedagalaxie sind darin die größten Galaxien
Gaias Auflösungsvermögen genügte, um die hellsten Sterne der Lokalen Gruppe zu erfassen. Eine Reihe von Nachbargalaxien der Milchstraße wie die Andromedagalaxie und die Magellanschen Wolken konnten auf diese Weise untersucht werden. Für entfernte Zwerggalaxien waren es nur wenige der allerhellsten Sterne, für die benachbarten Galaxien tausende bis Millionen von Sternen. Kugelsternhaufen und Zwerggalaxien wie Fornax, Sculptor und Sextans wurden mit tausenden von Sternen erfasst. Die Interaktion von Galaxien wurde erforscht, insbesondere ließ sich erkennen, wie die Milchstraße mit den Magellanschen Wolken wechselwirkt. Sogar Sternbewegungen innerhalb von Zwerggalaxien ließen sich erfassen. Alle diese Beobachtungen sind dazu geeignet, den Einfluss von Dunkler Materie auf die Sternbewegungen festzustellen.
Nicht aufgelöste Galaxien und Quasare Nicht aufgelöste Objekte sind aus der Sicht Gaias punktförmige Lichtquellen. Gaia erfasste Millionen entfernter Galaxien und Quasare und gewann von ihnen photometrische Daten. Die gefundenen Quasare dienen als Orientierungspunkte für optische und radioastronomische Bezugssysteme.
Astrophysik und Grundlagenforschung