Naar de content

Sterren tellen in de Melkweg

Gaia op koers voor catalogus met minstens een miljard sterren

ESA

De Europese Gaia-satelliet werd twee jaar geleden gelanceerd met een ambitieuze taak: hij moest een miljard sterren in de Melkweg in kaart brengen. Maar de betrokken astronomen schrokken toen vorig jaar bleek dat de gevoelige apparaten aan boord problemen ondervonden. Hoe staat de missie er nu voor?

11 december 2015
Update april 2018: bijna 1,7 miljard sterren op de kaart

De in 2013 gelanceerde Gaia-satelliet is druk geweest. Op 25 april 2018 publiceerden wetenschappers een dataverzameling met de helderheid en positie aan de hemel van bijna 1,7 miljard sterren. Van ruim 1,3 miljard van die sterren is ook de afstand en de beweging door de Melkweg bekend. Verder bekeek Gaia ook ruim 14 duizend objecten in ons eigen zonnestelsel, waaronder planetoïden.

Vooral de hoeveelheid sterren waarvan de afstand nauwkeurig is bepaald, is enorm gestegen ten opzichte van de eerste datapublicatie van Gaia, eind 2016. Dit maakt een nauwkeurige bestudering van de dynamiek en de geschiedenis van de Melkweg mogelijk. Al eerder schreef NEMO Kennislink over het onderzoek met de gigantische hoeveelheid Gaia-informatie.

Impressie van de Gaia-satelliet in de ruimte.

 ESA

Op 1,5 miljoen kilometer van de aarde is het rustig. Daar, op ongeveer vier keer de afstand tot de maan – om het zogenoemde tweede Lagrangepunt – beweegt sinds vorig jaar heel stilletjes de Gaia-satelliet. De missie: de grootste inventarisatie ooit van sterren in de reusachtige Melkweg maken, die naar schatting honderden miljarden sterren bevat. Gaia gaat er daarvan ruim een miljard spotten, en bepaalt daarbij onder andere de afstand, de beweging, de helderheid en het soort licht dat ze uitstralen.

Vorige maand kwamen ongeveer 200 leden van het in totaal 450 mensen tellende Gaia-consortium bij elkaar in Leiden. Zelfs in het internettijdperk is het nuttig om elkaar écht in de ogen te kijken en problemen te bespreken, aldus Anthony Brown, astronoom aan de Universiteit Leiden en voorzitter van het wetenschappelijk consortium van Gaia. Hij kijkt tevreden terug op die week én op de huidige prestaties van de satelliet. “Gaia heeft nu een half jaar data verzameld zonder een enkele ingreep van ons”, zegt hij aan de telefoon. Dat na de allerminst vlekkeloze start van de missie die in december 2013 werd gelanceerd.

Een kaart gebaseerd op de eerste waarnemingen van de Gaia-satelliet. Het is geen foto maar een kaart waarop de dichtheid is weergeven van de sterren die de satelliet waarneemt. Vergroot voor meer uitleg.

 ESA/Gaia

Strooilicht en ijs

De rust en kalmte waarmee Brown praat weerspiegelen het vertrouwen in Gaia’s missie. Alles is nu onder controle, zegt hij. Een jaar geleden was dat nog anders, toen zaten betrokken astronomen nog met de handen in het haar. De 740 miljoen euro kostende ruimtemissie – het belangrijkste wetenschappelijke project van ruimtevaartorganisatie ESA op het moment – werd geplaagd door problemen.

Ten eerste bleek er strooilicht in de satelliet terecht te komen: licht dat niet wordt tegengehouden door het enorme zonnescherm en dat metingen van de gevoelige telescopen stoort. “We weten inmiddels dat dit afkomstig is van zonlicht dat door vezels wordt verstrooid die uit de rand van het zonnescherm steken”, zegt Brown. Helaas is er aan dat strooilicht zelf weinig meer te doen. Wel wordt via software-aanpassingen geprobeerd het probleem te onderdrukken. “Op het bepalen van de afstanden en snelheden van sterren heeft het overigens weinig invloed, wel op het bepalen van het spectrum van zwakke sterren”, zegt hij.

De Gaia-satelliet wordt voor de lancering getest in Kourou, Frans-Guyana. Deze repetitie was bedoeld voor het uitklappen van het zonnescherm (de platte ronde schijf).

 ESA/M. Pedoussaut

Naast strooilicht bleek tijdens de eerste metingen dat de telescopen minder licht dan verwacht doorgaven aan de detectors. En dat is lastig voor de detectie van zwakke objecten. Al snel werd duidelijk dat ijsafzettingen op spiegels in de satelliet de boosdoeners waren. “Gelukkig beschikt de satelliet over verwarmingselementen (de satelliet opereert normaal gesproken bij temperaturen tussen de -100 en -150 graden Celsius – red.) waarmee we dat kunnen verdampen”, zegt Brown. “De laatste verwarming was een half jaar geleden. Het probleem lijkt nu opgelost: ik denk dat de ‘vochtbron’ is opgedroogd.”

Tot slot bleek de hoek tussen de twee telescopen aan boord tot wel honderd keer meer te variëren dan verwacht. Die hoek is extreem belangrijk voor afstandsbepalingen die Gaia doet. “Het gaat slechts om een verplaatsing van nanometers”, zegt Brown, “maar toch heeft het invloed op de precisie die we met Gaia willen halen. Gelukkig is er een systeem aan boord dat deze variaties meet. Via software halen we de fout eruit. Dat is niet makkelijk, maar wel mogelijk.”

Hoe werkt Gaia?

Het in kaart brengen van de Melkweg is een technisch hoogstandje. Gaia meet met een extreme precisie de hoeken tussen verschillende sterren. Twee telescopen aan boord scannen de nachthemel doordat de satelliet elke zes uur om zijn as draait. Die rotatieas verplaatst zich bovendien langzaam zodat de hele nachthemel in drie tot zes maanden gezien wordt.

Doordat Gaia (samen met de aarde) om de zon draait, ontstaan er minuscule veranderingen in de hoeken tussen sterren: zie afbeelding. Hoe dichterbij de ster staat, hoe groter deze ‘verspringing’. Via zogenoemde parallaxmetingen is zo de afstand tot de sterren te bepalen. De precisie waarmee de satelliet verschuivingen meet, is vergelijkbaar met het bepalen van de dikte van een haar op 1000 kilometer afstand.

Een parallaxmeting, vergroot voor meer uitleg.

 Alexandra Angelich/NRAO/AUI/NSF

Bakken met data

Gaia stuurt een enorme hoeveelheid data terug naar grote schotels op de aarde. Ter vergelijking, de ruimtesonde New Horizons, die afgelopen juli een scheervlucht langs dwergplaneet Pluto maakte, is na een half jaar nog steeds niet klaar met het naar de aarde sturen van de 8 gigabyte aan foto’s en metingen. De veel nabijere Gaia-satelliet levert elke dag wel 50 gigabyte aan data op.

Maar als die data binnen is, dan begint het werk eigenlijk pas. De miljarden foto’s die Gaia van sterren maakt (meerdere van iedere ster over en periode van vijf jaar) vormen een grote puzzel die aan elkaar geplakt moet worden. “Het is eigenlijk een netwerk van hoeken”, zegt Brown. En dat vergt veel computerkracht, verdeeld over negen Europese verwerkingscentra die ieder een deel van de taak op zich nemen.

De hoeken tussen sterren aan de nachthemel in combinatie met de afstanden tot die sterren vormen uiteindelijk een driedimensionale kaart van de Melkweg. Op deze foto is het sterrenstelsel M51 te zien, die waarschijnlijk een vergelijkbare spiraalstructuur heeft als de Melkweg.

 S. Beckwith, Hubble Heritage Team, ESA, NASA

“De verwerkte data levert een kaart van de nachthemel op die bovendien langzaam verandert over de tijd”, zegt Brown. “Daaruit kun je ten eerste de afstand halen tot die ster (zie kader ‘Hoe werkt Gaia?’ – red.), maar doordat we sterren over jaren volgen kunnen we ook de richting en snelheid van de ster door de Melkweg achterhalen.”

Geschiedenis van de Melkweg en donkere materie

Goed, ondanks de beren op de weg verzamelt Gaia nu al anderhalf jaar gegevens. Maar wat hebben we straks aan de meest uitgebreide catalogus van sterren in onze Melkweg ooit? Zetten we die in de kast en laten hem wegstoffen? Nee, uiteraard gaan astronomen er iets mee doen. Volgens Brown bedient de satelliet veel verschillende vakgebieden binnen de astronomie.

Naast sterren gaat Gaia waarschijnlijk ook grote hoeveelheden planetoïden spotten, alsmede quasars, zeer heldere en verre sterrenstelsels.

 NASA/JPL-Caltech

Hij denkt aan het ontcijferen van de ontstaansgeschiedenis van de Melkweg, die besloten ligt in de bewegingen van sterren. Of het via sterlicht opsporen van grote gaswolken – de bouwstenen van sterren en planeten – en de verdeling van donkere materie. “Van dit soort fundamentele data hebben we eigenlijk nog maar erg weinig”, zegt Brown.

Gaia breidt het aantal afstandsbepalingen tot sterren enorm uit, van de huidige 50.000 naar zo’n 10 miljoen sterren waarvan de afstand tot binnen een procent marge bekend is. Van 100 miljoen sterren hebben we straks de afstand met een onzekerheid van maximaal 10 procent. Verder gaat de satelliet spectra van sterren meten. “Dat doen we voor alle sterren, maar de precisie is afhankelijk van de helderheid. Bij tientallen miljoenen sterren zullen we in staat zijn om via absorptielijnen de chemische samenstelling te bepalen”, zegt Brown.

Welke wetenschappers dat gaan doen? Dat kunnen astronomen van over de hele wereld zijn. “Bij de voorganger van Gaia, Hipparcos die in 1989 werd gelanceerd, is er helemaal tot het einde gewacht met het vrijgeven van de data. Eerst gingen de direct betrokken wetenschappers met de data aan de slag”, zegt Brown.

“Nu is dat anders,” vervolgt hij, “van tevoren hebben we besloten al zo snel mogelijk data open te stellen. Zo is de verwachting dat we volgend jaar al een catalogus kunnen vrijgeven waarin de posities en helderheden van een miljard sterren staan. Van twee miljoen sterren hebben we dan al de afstand en de snelheid. Daar kan iedereen mee aan de slag, van Europa tot aan Japan.”

ReactiesReageer