Die Gaia-Revolution der Astronomie – in Grafiken

Der Data Release 2 der Gaia-Mission verändert das Bild der Milchstraße – nicht wie sie aussieht natürlich, sondern auf höheren mathematischen Ebenen, wenn man die nun für (je nach Datentyp) Millionen bis Milliarden Sterne vorliegenden Zahlen verarbeitet und in Grafiken gießt.

Dazu gibt es bereits ein paar wissenschaftliche Arbeiten – und viele quasi in Echtzeit über Social Media verbreitete Ergebnisse: so wie hier heute die Rotation der Milchstraße aus den Gaia-Daten zur Radialgeschwindigkeit, korrigiert für den Orbit der Sonne um das Galaktische Zentrum. Die Sterne bewegen sich – in einem galaktischen Bezugssystem – links mit im Schnitt bis zu knapp 200 km/s weg, rechts umgekehrt.

Die von Gaia gemessenen Radialgeschwindigkeiten in der Umgebung der Sonne (von -60 bis +60 km/s, rot bis blau dargestellt), von oben auf die Milchstraße schauend: Die Sonne ist der schwarze Punkt in der Mitte, das rechtwinklige Raster hat 2 kpc Weite, die Milchstraße rotiert im Uhrzeigersinn.

Auch hier sind Radialgeschwindigkeiten aufgetragen, allerdings die Azimutalgeschwindigkeit farblich codiert (Skala rechts) gegen den Abstand des Sterns von der galaktischen Scheibe (x-Achse) und die vertikale Geschwindigkeitskomponente (y-Achse): Die dabei sichtbar gewordene Spiralstruktur ist eines von zahlreichen Mustern, die in den DR2-Daten stecken und die auf eine dynamisch junge und gestörte Scheibe der Milchstraße hinweisen: Vor 300 bis 900 Mio. Jahren ist hier was passiert.

Auch diese Grafik aus demselben frühen Paper – die Azimutalgeschwindigkeit gegen den Abstand vom Galaktischen Zentrum zeigt viel mehr Struktur als in einer ruhigen Milchstraßenscheibe zu finden sein sollte: „Galaktoseismologie“ wird derartige Forschung neuerdings genannt, und Gaia macht sie überhaupt erst in dieser Klarheit möglich. Mehr dazu auch auf dieser Seite und in diesem Paper.

Die Qualität der Parallaxen-Messungen Gaias: Der Fehler in Mikrobogensekunden gegen die G-Helligkeit der Sterne. Die blaue Kurve gibt die Erwartungen nach 5 Jahren Messungen an, die die 22 Monate im DR2 (rosa Punkte) bei den schwachen Sternen schon fast erreicht haben, während es bei Sternen heller als 14. Größe noch einiges zu kalibrieren gilt. Oben links die Lage im DR1.

Die Verteilung der Sternparallaxen in der DR2 – man erkennt verblüfft, dass ein Viertel (unphysikalisch) negativ ist! Einfach mal den Kehrwert nehmen und als Entfernung des Sterns betrachten, würde also in vielen Fällen Blödsinn liefern!

Wo die Gaia-Sterne in der Milchstraße sitzen (Blick auf die Scheibe rund um die Sonne, Marken am Rand in 5-kpc-Abständen): der Versuch einer Rekonstruktion von 1.3 Milliarden Distanzen aus den Parallaxen und einem Modell der Milchstraße – mit einem mathematischen Verfahren, das je nach Qualität der Parallaxen ihnen bzw. dem Modell den Vorrang gibt. Der Katalog mit diesen Entfernungs-Schätzungen ist auch online, aber separat vom eigentlichen Gaia-Katalog DR2, bei dem man auf manuelle ‚Verbesserungen‘ verzichtet hat.

Bei nahen Sternhaufen sollte die Kehrwert-Methode aber gut funktionieren: so wie mit 970 Sternen der Plejaden mit G-Helligkeiten von 5 bis 20, die im Raum eine Art Kugel zu bilden scheinen.

Die Farben aller Sterne am Mittel bis zur 19. Größe: Farblich codiert ist hier die Differenz GBP-GRP, die zwischen 0.5 (violett darstellt) bis 3.5 (rot) reicht; jedes Pixel zeigt im Original gibt den Median-Wert aller Sterne darin wieder. Die Blau- und Rothelligkeiten Gaias sind dabei keine Extra-Messungen sondern aus Spektren integriert.

Ein Hertzsprung-Russell-Diagramm der Sterne der Sonnenumgebung aus den Farb-Daten und Distanzen des DR2: x-Achse = Differenz der beiden Farbkanäle bzw. Oberflächentemperatur, y-Achse = absolute G-Helligkeit links bzw. Leuchtkraft in Einheiten der Sonne rechts. Mehr Gaia-HRDs auf dieser Seite und in diesem Paper.

66’000 veränderliche Sterne verschiedenen Typs, die eine automatische Himmelsüberwachung fand, in ein Diagramm mit denselben Achsen geplottet – wobei die Entfernung zwecks Bestimmung der Absolut-G-Helligkeit in der y-Achse einfach durch Kehrwertbildung der Parallaxe berechnet wurde … was bekanntlich (s.o.) nicht unbedingt zuverlässig ist.

Diverse veränderliche Sterne aus anderen Quellen ebenfalls in einem Farben-absolute-Helligkeiten-Diagramm (also x-Achse = GBP-GRP, y-Achse = absolute G-Helligkeit) eingezeichnet: oben pulsierende von 18 verschiedenen Typen, in der Mitte Bedeckungsveränderliche verschiedener Sorten (bzw. mit Exoplaneten: gelbe Punkte) und unten 10 Typen Eruptive.

Der Anteil veränderlicher Sterne am nämlichen Farben-absolute-Helligkeiten-Diagramm: hellbeige = keine, grün = ein paar, gelb = ~1/5, rosa = ~ die Hälfe, hellblau = 85 bis 100 % sind variabel.

„Wanderungen“ ausgewählter Sterne im nämlichen Diagramm während der 22 ersten Monate der Gaia-Beobachtungen: Die gibt es auch als Animation und hier beschrieben.

Ein Farben-Helligkeits-Diagramm (mit der scheinbaren G-Helligkeit gegen die Farbdifferenz) für den Kugelsternhaufen Messier 13 – mal eben automatisch geplottet, was dank diverser Online-Tools für den DR2 kein Problem ist. Was hätte das früher gedauert, all diese Sterne einzeln zu fotometrieren …

Die Staub-Extinktion in Gaias G-Band am ganzen Himmel, je dunkler desto staubiger: abgeleitet über die Eigenschaften von Sternen, die wiederum aus den drei Farbinformationen Gaias (G-, B- und R-Helligkeit) gewonnen wurden – mehr auch auf dieser Seite.

Die Bewegungen von 75 Kugelsternhaufen: Richtung und Länge des Vektors geben die Komponente in der Himmelsebene, die Farbe die Radial-Komponente, von -200 (blau) bis +200 (rot) km/s – mehr auch auf dieser und erst recht auf dieser Seite sowie eine 3D-Animation.

Auch die Exoplaneten-Forschung bringt Gaia voran – indirekt jedenfalls: Die Sterndurchmesser, die sich aus den Farben und Entfernungen aus dem DR2 für Millionen Sterne ergeben, sind hier mit Transits vor den entsprechenden Sternen verknüpft worden. Und eine markante Lücke in den Planeten-Durchmessern wird in dem Histogramm sichtbar, während sie in den Kepler-Daten alleine allenfalls zu erahnen war.

Auch eine Kombination von Gaia und früheren Beobachtungen – und zwar von Microlensing durch Exoplaneten: Zu 25 solcher Fälle sind die Objekte im DR2 (für dessen Sternenhorden es bereits diverse Visualisierungs-Tools gibt) zu finden, und in 19 davon lassen sich frühere Analysen nun verifizieren. In der Grafik sind die Beteiligten mit ihren Gaia-Distanzen auf die Galaxis geplottet.