Unter dem Titel “Worlds Beyond Our Own” werde ich in lockerer Folge Caches präsentieren, die sich mit dem Thema Exoplaneten (extrasolare Planeten = Planeten außerhalb unseres Sonnensystems) beschäftigen. Ich möchte damit einen jungen und faszinierenden Forschungsbereich vorstellen, bei dem die Astrophysik interdisziplinär mit einer Reihe anderer Naturwissenschaften zusammenarbeitet. Dabei werde ich nach und nach alle relevanten Themenbereiche diskutieren. Natürlich werden die Inhalte allgemeinverständlich aufbereitet, auch wenn es Aufgaben geben kann, die einem höheren D-Level zugeordnet werden müssen.
Dieser Cache beschäftigt sich nicht wirklich mit der Göttin Gaia aus der griechischen Mythologie. Vielmehr soll die Raumsonde Gaia der Europäischen Weltraumorganisation ESA im Mittelpunkt stehen. Sie dient im Wesentlichen der präzisen astrometrischen Erfassung unserer Milchstraße und ist damit ein Nachfolgeprojekt der Hipparcos-Mission (1989–1993). Der Start erfolgte am 19. Dezember 2013 mit einer russischen Sojus-Rakete vom europäischen Raumfahrtzentrum bei Kourou in Französisch-Guayana. Die ersten Ergebnisse werden frühestens Mitte 2016 erwartet, wobei die endgültige Bearbeitung nach Abschluss der Mission (nicht vor 2019) mehrere Jahre in Anspruch nehmen wird. Der gewaltige technische Aufwand lässt sich erahnen, wenn man bedenkt, dass täglich eine Datenmenge von 50 GB aus 1,5 Millionen Kilometern Entfernung per Richtantenne zur Erde gesandt wird. Am Ende der Mission wird sich ein Datenvolumen von mehr als 1 PB (Petabyte) angesammelt haben. Für die finale Auswertung muss dann ein gigantisches Gleichungssystem mit 5 Milliarden Unbekannten gelöst werden. Dafür stehen den Astrophysikern natürlich die leistungsfähigsten Rechenzentren der Welt zur Verfügung.
Gaia wird eine Durchmusterung von einer Milliarde Sternen durchführen, also von rund einem Prozent aller Sterne unserer Milchstraße - eine Art galaktischer Mikrozensus. Während seiner voraussichtlichen Lebensdauer von fünf bis sechs Jahren wird die Raumsonde jedes Objekt etwa 70 Mal beobachten und dabei dessen Helligkeit, spektroskopische Eigenschaft und vor allem Position bestimmen. Im Laufe der Kartographierung des Himmels werden Gaias einzigartige Instrumente nicht nur normale und bekannte Sterne studieren, sondern auch eine riesige Anzahl bisher unbekannter Himmelsobjekte entdecken. Die Ausbeute wird so unterschiedliche Dinge umfassen wie Asteroiden und Kometen unseres Sonnensystems, Braune Zwerge (quasi gescheiterte Sterne), Weiße Zwerge (massearme Sterne in ihrer Endphase), weit entfernte Supernovae (Explosionen massereicher Sterne), stellare Schwarze Löcher (Endprodukte massereicher Sterne), aktive Galaxienkerne/Quasare (gigantische Schwarze Löcher in den Zentren anderer Galaxien) und natürlich Exoplaneten.
Im Rahmen dieses Caches soll ausschließlich die Möglichkeit der Entdeckung von Exoplaneten behandelt werden. Zunächst muss man sich bewusst machen, dass eine direkte Beobachtung nicht möglich ist, da derartige Objekte viel zu lichtschwach sind. Mit Gaia kann erstmals ein indirektes Verfahren Anwendung finden, die sog. astrometrische Methode. Die Astrometrie macht sich zunutze, dass sich ein Planet genaugenommen nicht um seinen Zentralstern bewegt, sondern beide Körper um den gemeinsamen Massenschwerpunkt kreisen (siehe animierte Grafik). Je massereicher ein Planet ist, desto weiter liegt dieses sogenannte Baryzentrum vom Sternmittelpunkt entfernt. Gaia ist in der Lage, Sternpositionen mit einer Genauigkeit von 20 μas (Mikrobogensekunden) zu bestimmen (es handelt sich um einen Mittelwert, so dass man teilweise differierende Angaben findet). Trotz dieser hochentwickelten Technik kommt auch Gaia irgendwann an die Beobachtungsgrenzen. Daher müssen die detektierbaren Exoplaneten Massen aufweisen, die vergleichbar oder größer sind als die des Planeten Jupiter (der massereichste Planet unseres Sonnensystems). Man rechnet mit der Entdeckung von mindestens 30 000 Objekten dieser Art.
Um die Leistungsfähigkeit von Gaia und die beobachtungstechnische Herausforderung zu veranschaulichen, präsentiere ich im Rahmen des Caches zwei Problemstellungen, die man mit elementarer Geometrie lösen kann (es sind noch nicht einmal Winkelfunktionen erforderlich).
Aufgabe 1:
Ein normales europides Kopfhaar hat eine typische Dicke von 0,06 mm. Aus welcher Distanz D betrachtet, hätte dieses Haar einen Winkeldurchmesser von 20 μas?
Ausgehend von den im Header spezifizierten Referenzkoordinaten gibt D/1000 die Entfernung zur Startposition des Caches an.
Aufgabe 2:
Das Sonnensystem werde aus einer Distanz von 100 pc (Parsec ist das in der Astronomie übliche Entfernungsmaß) beobachtet. Es möge nur der Planet Jupiter betrachtet werden, für dessen Bahnradius die große Halbachse der Bahnellipse einzusetzen ist. Um welchen Winkel schwankt die Sonne relativ zum Schwerpunkt?
Multipliziere diesen Winkel mit 1010 und du erhältst die Peilung (rechtweisend) zur Startposition.
Dein Ergebnis kannst du mit GeoCheck verifizieren. Obwohl es kein Problem sein sollte, eine präzise Lösung zu generieren, habe ich eine Toleranz von 15 m gewählt. Insgesamt hast du sechs Zwischenstationen plus Final zu finden. Die Wegpunkte ergeben einen Rundweg mit einer Gesamtstrecke von etwa 2,5 km. Nicht überall wird der direkte Weg auch der bequemste sein. Du musst selber entscheiden, ob du einen kleinen Umweg in Kauf nimmst oder die direkte Variante bevorzugst (Panzermodus). Station 3 führt dich zu einem interessanten Berg/Hügel, der seinen Reiz vielleicht erst auf den zweiten Blick offenbart. Hier wirst du sogar mit ein wenig Wildnis konfrontiert. Vorsichtshalber solltest du zwei Batterien der Größe Micro (AAA) mitbringen. Die Koordinaten sämtlicher Stationen sind von mir mit besonderer Sorgfalt ermittelt worden. Um dem heutigen Standard zu genügen, wurden neben NAVSTAR GPS auch GLONASS und Galileo für die Positionsbestimmungen einbezogen.
Als kleiner Anreiz enthält der Cache eine FTF-Urkunde sowie einen Meteoriten (Sikhote Alin) für den Erstfinder. Eine Coin sowie zahlreiche Tauschutensilien (siehe Foto) gehören ebenfalls zum Startinhalt. Viel Spaß bei der Suche!