Gaia på mission til Mælkevejens milliarder af stjerner

Den 19. december opsendes Gaia Satellitten, som skal foretage de hidtil mest præcise opmålinger af Mælkevejens milliarder af stjerner. Gaia er en astrometrisk satellit, der måler stjerners positioner, afstande og bevægelser. Bag det europæiske ESA-projekt er den danske astronom fra Niels Bohr Institutet, Erik Høg, der har spillet en afgørende rolle i udviklingen af designet på den nye satellit, der bliver en million gange så effektiv som forgængeren, Hipparcos satellitten.

Astrometri er den gren af astronomien, der opmåler stjerners positioner og afstandene til dem, og ved at følge dem over tid, får man også klarlagt deres bevægelser i galaksen. Astrometri er landmåling på himlen.

Selv med de mest nøjagtige teleskoper på Jorden er målinger af stjerners positioner usikre på grund af den lufturo, der opstår for lysets passage gennem atmosfæren.  I 1989 opsendte det europæiske rumagentur, ESA derfor den første astrometriske satellit, Hipparcos, der var konstrueret til at måle stjerners positioner meget nøjagtigere end nogen tidligere havde gjort. Erik Høg var dengang med til at opfinde og designe satellitten Hipparcos. Observationerne overgik alle forventninger, både med hensyn til nøjagtigheden af målingerne og antallet af målte stjerner. Resultaterne blev et katalog over 2,5 millioner stjerner til brug ved astronomiske observationer og til styring af satellitters bevægelser.

Planer om ny satellit

Men allerede dengang havde han idéen til en ny astrometrisk satellit. "Jeg foreslog i 1992 en ny astrometrisk satellit Roemer (efter den berømte danske astronom Ole Rømer) som efterfølger til Hipparcos, der dengang var midt i missionen. Dette forslag startede arbejdet mod Gaia, selvom alle ellers var fuldt optaget med analysen af data fra Hipparcos", fortæller Erik Høg.

Det afgørende for, at Hipparcos lykkedes var, at der fandtes mange i Europa, der havde erfaring med astrometri og havde gode ideer. Noget lignende fandtes ikke andre steder i verden. Det blev forsøgt i USSR, USA og Japan, men det kunne ikke holde, der var ikke nok faglig og økonomisk basis. En satellit mission er meget kostbar, prisen for Hipparcos og Gaia er omtrent som Farøbroerne og operahuset i Sidney, og det kan lige klares af ESAs videnskabelige budget for en stor mission.

Gaia ad snørkede omveje

Men vejen mod Gaia blev lang og snørklet. Missionen fik navnet GAIA (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics), hvor 'I' står for interferometri, fordi ESA i 1993 foreslog anvendelse af interferometrisk teknik. Det betyder, at lyset fra stjernerne skulle opfanges af to teleskoper, hvis lys bringes til interferens, så der opstår striber i billedet af hver stjerne, som man så skal måle positionen af.

ESA havde udvalgt interferometri fra rummet til at være en hjørnesten i konceptet til en ny satellit, men efter flere år med nøje studier viste det sig, at den teknik ikke egnede sig til astrometri. De optiske og mekaniske komponenter skulle holdes på plads med så uhyre nøjagtighed, som aldrig før var prøvet, og der var ikke plads nok i satellitten til de særlige teleskoper, så man ville få mindre lys ind og derved tabe astrometrisk nøjagtighed.

Tilbage til Rømer-konceptet

I 1998 forkastede ESA og GAIA-studiegruppen interferometri og vendte tilbage til et andet system med direkte måling af stjernerne på CCD'erne. Man vendte faktisk tilbage til Erik Høgs forslag om en 'stor Roemer'. En 'stor Roemer' er simpelthen en satellit med store spejle i stedet for de små spejle i Erik Høgs første forslag fra 1992.

"For det var jo indlysende, at man bare ved en større åbning af teleskoperne kunne opnå den ønskede større nøjagtighed. Derfor havde jeg i 1994 foreslået en 'stor Roemer' med spejle på 70 cm i diameter. Så samles der mere lys og det giver større nøjagtighed. Så satellitten blev faktisk til en 'stor Roemer', men navnet GAIA og senere Gaia blev hængende", fortæller Erik Høg, der nu er emeritus, men arbejdede på projektet indtil 2007.

Gaia blev udviklet af det europæiske konsortium, Astrium i samarbejde med ESA's hold og Gaia Science Team. Stjernernes position måles éndimensionelt langs en storcirkel. Hver stjerne måles ca. 70 gange gennem nogle år, og når målingerne sættes sammen kan man både beregne stjernens position på himlen og stjernens bevægelse derunder dens afstand. Det var den svenske astronom, Lennart Lindegren, der i 1976 udviklede den matematiske beregningsmetode for Hipparcos, og han har også været den ledende i opgaven for Gaia.

Himlen kortlægges effektivt

Gaia vil være en million gange så effektiv som Hipparcos. Det er fordi spejlene i Gaia er meget større, og fordi Gaia måler med detektorer, der udnytter lyset ti gange bedre, og yderligere fordi den måler tusindvis af stjerner samtidigt, mens Hipparcos kun målte én stjerne ad gangen. Gaia måler med 106 CCD’er med hver 10 millioner pixels. Datamængderne bliver enorme, og flere end 400 mennesker i 20 lande vil komme til at arbejde med de meget komplicerede beregninger. Missionen skal efter planen vare i fem år, men vil eventuelt blive forlænget med 1-2 år.

Resultaterne vil blive udnyttet indenfor kosmologi og astronomi til at kortlægge milliarder af stjerner i vores galakse, Mælkevejen og de nærmeste galakser samt lokalisere kvasarer, dobbelt-stjerner, stjerner med planetsystemer og interstellare skyer. De vil fastlægge stjernes afstande og bevægelser og kortlægge fordelingen af det mørke stof i galaksen. De første resultater forventes offentliggjort i 2015 baseret på godt et års observationer.

• Gaia website >>>
• Gaia video >>>