Gaia creëert meest uitgebreide sterrenkaart ooit

Gaia's nieuwe sterrenkaart gaat naar aller waarschijnlijkheid leiden tot een groot aantal nieuwe ontdekkingen. De data – die Gaia in 22 maanden tijd vergaarde – bevat posities, afstand-indicatoren en de banen van meer dan één miljard sterren. Daarnaast zijn zeer precieze metingen gedaan van asteroïden binnen ons zonnestelsel, én van sterren die zich buiten onze Melkweg bevinden.

Eerste analyses van deze fenomenale data laten bijzondere details zien van de sterrenpopulatie in de Melkweg, en de manier waarop de sterren zich bewegen. Deze informatie is essentieel voor onderzoek naar de vorming en evolutie van ons sterrenstelsel, de Melkweg.

“De door Gaia gedane observaties leveren kennis op die de astronomie zal veranderen”, zegt ESA's wetenschappelijke hoofd Günther Hasinger. “Gaia is een ambitieuze missie die slaagt dankzij goede samenwerking bij het analyseren van enorme hoeveelheden data. De missie laat zien waarom langetermijnprojecten zoals deze belangrijk zijn om vooruitgang te boeken op het vlak van ruimtevaartwetenschap en technologie.”

De reis van Gaia

ESA's Gaia-sonde werd in december 2013 gelanceerd en begon in het jaar daarop met zijn wetenschappelijke observaties. De eerste data – gebaseerd op een jaar observeren – werden in 2016 gepresenteerd en bevatten de afstand en banen van twee miljoen sterren. De vandaag gepresenteerde nieuwe data – vergaard tussen 25 juli 2014 en 23 mei 2016 – geven de positie van bijna 1,7 miljard sterren weer.

Bij een aantal van de felste sterren in het onderzoek zijn de metingen zó precies dat ze te vergelijken zijn met het terugvinden van een eurostuk op het oppervlak van de maan, vanaf de aarde. Met zulke precieze metingen is het mogelijk de parallax van sterren – een ogenschijnlijke verschuiving die wordt veroorzaakt door onze jaarlijkse baan om te zon – te scheiden van hun ware bewegingen.

De nieuwe catalogus zet de parallax en daadwerkelijke beweging van 1,3 miljard sterren op een rij. Bij de meest accurate parallax-metingen, ongeveer tien procent van het totaal, kunnen astronomen direct de afstand tussen individuele sterren schatten.

“De tweede set Gaia-data laat een enorme sprong voorwaarts zien ten opzichte van ESA's Hipparcos-satelliet. Hipparcos is Gaia's voorganger en de eerste astrometrie-missie, die dertig jaar geleden 118.000 in kaart bracht”, aldus Anthony Brown van de Universiteit Leiden.

“Alleen al het aantal door Gaia in kaart gebrachte sterren, inclusief positie en baan, maakt deze nieuwe catalogus verbazingwekkend”, voegt Brown toe. “Maar er is meer: deze unieke wetenschappelijke catalogus bevat veel andere typen data, met informatie over de eigenschappen van sterren en andere hemellichamen. Dat maakt deze data echt bijzonder.”

Voor ieder wat wils

De omvangrijke dataset geeft nieuwe informatie voor talloze velden van de astronomie. Naast de positie van sterren geven de data ook informatie over de felheid van alle in kaart gebrachte sterren, evenals de kleurmetingen van de meeste van hen. Van een half miljoen sterren laten de metingen daarnaast zien hoe hun felheid en kleur in de loop der tijd veranderen. Daarnaast zijn bij een deel van de sterren ook snelheden, de effecten van interstellair stof en oppervlaktetemperaturen in kaart gebracht.

Gaia observeert naast sterren ook andere objecten in ons sterrenstelsel: de tweede dataset bevat de positie van meer dan 14.000 asteroïden. Dat maakt het mogelijk precieze berekeningen van hun banen te maken. Bij toekomstige datasets wordt meer asteroïde-data verwacht. Daarnaast verzamelde Gaia ook informatie over de posities van een half miljoen quasars, felle sterrenstelsels met supermassieve zwarte gaten in hun kern.

Zodra wetenschappers Gaia's nieuwe dataset gaan bestuderen, zullen naar verwachting grote ontdekkingen gedaan worden. Een initiële analyse die het data-consortium deed om de kwaliteit van de informatie te valideren, leverde al veelbelovende verrassingen op, inclusief nieuwe inzichten omtrent de evolutie van sterren.

Galactische archeologie
“De nieuwe Gaia-data zijn zo interessant dat er nu al spannende resultaten op ons afkomen”, aldus Antonella Vallenari van het Instituto Nazionale di Astrofisica (INAF) en het Astronomische Observatorium in het Italiaanse Padua. “We hebben bijvoorbeeld het meest gedetailleerde Hertzsprung-Russelldiagram ooit kunnen maken en daarin kunnen we nu al een aantal interessante trends waarnemen. Het voelt alsof we aan het begin staan van een nieuw tijdperk van galactische archeologie.”

Het Hertzpsrung-Russelldiagram werd vernoemd naar de twee astronomen die het aan het begin van de twintigste eeuw ontwikkelden. Het diagram vergelijkt de intrinsieke felheid van sterren met hun kleur, en is een fundamenteel gereedschap om sterren en hun evolutie te bestuderen.

Een nieuwe versie van het diagram, gebaseerd op vier miljoen sterren die Gaia in kaart bracht in een straal van vijfduizend lichtjaar rondom de zon, laat veel niet eerder ontdekte details zien. Hieronder bevinden zich de signatuur van verschillende typen witte dwergen – de dode restanten van sterren als onze zon. De data is zo gedetailleerd dat er een differentiatie gemaakt kan worden tussen waterstofrijke kernen en kernen die voornamelijk uit helium bestaan.

“Gaia gaat ons begrip van het universum enorm veel verder brengen”, aldus Gaia-projectwetenschapper Timo Prusti van ESA. “Zelfs in de buurt van onze zon, wat de regio is waar we het meest van afweten, gaat Gaia nieuwe inzichten en spannende ontdekkingen teweeg brengen.”

De Melkweg in 3D

Van een subset van sterren die zich een paar duizend lichtjaar van de zon bevinden heeft Gaia de snelheid in alle drie dimensies gemeten. Daarmee zijn patronen waargenomen in de bewegingen van deze sterren. Toekomstig onderzoek moet uitwijzen of deze patronen gelinkt zijn aan verstoringen die worden veroorzaakt door de galactische balk – een keur aan sterren die dichter bij elkaar staan in een uitgerekte valk in het midden van de Melkweg – of dat ze worden veroorzaakt door de spiraalarm van ons sterrenstelsel óf de interactie met kleinere sterrenstelsels.

Met Gaia's precieze blik wordt het ook mogelijk de bewegingen van sterren in bolvormige clusters waar te nemen. Dit zijn oude stelsel van sterren die aan elkaar gebonden zijn door zwaartekracht. Ze worden gevonden in de halo van de Melkweg. Ook wordt het mogelijk de bewegingen van sterren waar te nemen in nabijgelegen sterrenstelsel, zoals de Magelhaense Wolken.

De data van Gaia zijn gebruikt om de banen van 75 bolvormige clusters en twaalf dwergstelsels rondom de Melkweg in kaart te brengen. Dit leverde belangrijke informatie op voor onderzoek naar de evolutie van ons sterrenstelsel en diens omgeving, de gravitationele krachten die daarbij een rol spelen en de manier waarop zwarte materie zich door sterrenstelsels verspreid.

“Gaia is astronomie op zijn best”, aldus ESA's Gaia-missiemanager Fred Jansen. “Wetenschappers zullen nog jaren bezig zijn met deze data, en we zijn er klaar voor ons te laten verrassen door de lawine aan ontdekkingen die de geheimen van onze Melkweg zullen blootleggen.”

De banen van bolvormige clusters en dwergstelsels