17.09.2018

Ankerpunkte am Himmel

Neuer Referenzrahmen ermöglicht genauere Positions­bestimmungen.

Der Himmel bekommt einen neuen Referenz­rahmen. Am 30. August hat die Inter­national Astro­nomical Union den Inter­national Celestial Reference Frame 3 (ICRF-3) auf ihrer Jahres­versammlung in Wien beschlossen. Der Referenz­rahmen wird ab dem 1. Januar 2019 weltweit gültig. An ihm richten sich beispiels­weise GPS-Systeme aus und er ist die Grundlage für die Navi­gation von Weltraum­sonden.

Abb.: Quasare – wie hier SDSS J1106+1939 in einer künstlerischen Illustration – dienen als Ankerpunkte für den neuen Referenzrahmen. (Bild: L. Calçada, ESO)

Jede Art der Positions­bestimmung und Navigation auf der Erde oder im All benötigt einen Referenz­rahmen. Vergleichbar mit den Längen- und Breiten­graden auf dem Globus ist auch ein Gitternetz am Himmel vorstellbar. Über einen solchen Referenz­rahmen ist es möglich, mit Bezug zur Erdober­fläche die genaue Lage von Objekten am Himmel anzugeben. Für die Erstellung dieses Netzes braucht es Anker­punkte am Himmel und auf der Erde, an denen die Systeme ausge­richtet werden können. Für die Erde sind dies die etwa fünfzig weltweit vorhandenen Radio­teleskope, für den Himmel 4536 Quasare.

Über die vergangenen vierzig Jahre hinweg bestimmten die auf allen Kontinenten posi­tionierten Radio­teleskope mittels der Very Long Baseline Inter­ferometry die Positionen der 4536 Quasare unter maßgeblicher Beteiligung der VLBI-Arbeitsgruppe der GFZ-Sektion Geodätische Weltraumverfahren. Robert Heinkelmann, Leiter der Arbeitsgruppe: „Wir haben aus allen vorhandenen VLBI-Beobach­tungen der vergangenen vierzig Jahre die genauen Richtungen aller extra­galaktischen Objekte berechnet. Außerdem haben wir Lösungen dafür gefunden, wie sich Beobachtungs­fehler in den Berech­nungen ausgleichen lassen, die durch die Drehung unserer Galaxie, der Milchstraße, entstehen.“

Der letzte Referenz­rahmen (ICRF-2) wurde im Jahr 2010 veröffent­licht. Demgegenüber verbessert das neue System die Genauig­keiten im Mittel etwa um das 1,5-Fache. Es wurden etwa dreißig Prozent mehr Objekte in die Berech­nungen einbezogen und zum ersten Mal wurde die Dreh­bewegung der Milch­straße einberechnet. Die Ergeb­nisse liegen nun außerdem parallel in drei verschiedenen Radio-Frequenz­bändern vor, was einen breiteren Zugriff für die verschie­denen Nutzer ermöglicht. Anhand des neuen Himmels­referenz­rahmens lassen sich die Richtungen von Objekten auf der Himmels­kugel mit einer Genauigkeit von einem Hundertstel eines Millionstel Winkel­grades bestimmen. Das entspricht der Genauigkeit, von der Erde aus einen Tennisball auf der Oberfläche des Mondes erkennen zu können.

Die Quasare senden permanent Radio­wellen aus, die von den Radio­teleskopen auf der Erde empfangen werden können. Da sich die Quasare etwa 100 Millionen bis 10 Milliarden Lichtjahre weit von der Erde entfernt im All befinden, können sie, obwohl sie in Bewegung sind, von der Erde aus als ortsfest angesehen werden. Damit eignen sie sich optimal als Ankerpunkte für das Referenz­system am Himmel. Nicht nur Systeme zur Positions­bestimmung wie das GPS oder das europäische Pendant Galileo sind auf das Referenz­netz am Himmel angewiesen. Auch Veränderungen auf der Erdober­fläche, wie beispiels­weise Bewegungen von Erdplatten, Vulkanausbrüche, Meeresspiegel­schwankungen, Erdbeben oder Veränderungen der Orientierung der Erde im Weltraum, lassen sich darüber präzise bestimmen.

Zwar gibt es für die Erdober­fläche den Inter­national Terrestrial Reference Frame (ITRF), der Bezugs­punkte auf der Erde in einem Koordinaten­system erfasst, mit dem Zentrum der Erde als Mittelpunkt. Um zum Beispiel bestimmen zu können, ob der Meeres­spiegel gestiegen oder das Land abgesunken ist, braucht der Referenzrahmen auf der Erdober­fläche einen Referenz­rahmen am Himmel, zu dem er in Bezug gesetzt werden kann. Je präziser dieser himm­lische Referenz­rahmen, desto genauer ist auch die Überwachung von Verän­derungen an der Erdober­fläche möglich.

GFZ / JOL

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