Das GAIA Projekt 6-dimensionale Milchstraße
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Das ESA Projekt Gaia Vermessung der Milchstraße Max Camenzind Senioren Uni Würzburg SS2014 @ 14.04.2014 www.lsw.uniheidelberg.de/users/mcamenzi Gaia = Erde Zur Geschichte… 610 B.C.: Schiefe der Ekliptik (Anaximander) 125 B.C.: Präzession of the equinoxes (Hipparchus) 1717: Erste Eigenbewegung (Halley) 1725: Stellare Aberration (Bradley), confirming: – Earth’s motion through space – finite velocity of light – immensity of stellar distances 1761/9: Venus-Transits – solare Parallaxe 1783: Sun’s motion through space (Herschel) 1838-9: Erste Parallaxen-Messung (Bessel/Struve) 1609 – Teleskope Vorteile Gaia im Kontext OATo Seminars on formation and Evolution of the Galaxy 5 GAIA: Vermessung der Galaxis OATo Seminars on formation and Evolution of the Galaxy 6 Die Milchstraße im Visier M83 image (with Sun marked) OATo Seminars on formation and Evolution of the Galaxy 7 NGC 4565 Scheibe Bulge (~ 3 kpc) Nucleus (~ 3 pc) Kugelsternhaufen OATo Seminars on formation and Evolution of the Galaxy Halo (> 30 kpc)8 Unsere Themen • Vermessung der Milchstraße – was ist der Phasenraum der Sterne? • HIPPARCOS – 118.000 handverlesene Sterne • Das Projekt Gaia • Sonde, Rakete und Parkbahn • Das Wissenschaftsmodul • 106 CCDs für Astrometry, Photometry & Spec Literatur: • Scan-Modus U. Bastian; SuW • Projekt-Organisation Mai & Juni 2013 • Lichtablenkung und ART Definition Parsek 1 Radian = 180/p x 60 x 60 = 206.265´´ 1 Parsek = 206.265 AE ~ 3,08 x 1016 m ~ 3,26 Lichtjahre 1 kpc = 1000 Parsec 1 Mpc = 1 Mio Parsec 1 Gpc = 1 Mia Parsec Genauigkeit Parallaxe Faktor 100 Genauigkeit astrometrischer Beobachtung Auge 0 1400 Hipparchus 1000” 100” 1500 Teleskop 1600 1700 1900 2000 2100 Ulugh Beg 1000” Wilhelm IV Tycho Brahe Hevelius 10” 1800 Space 100” Flamsteed Bradley-Bessel 1“ 10” 1” GC 100 mas 100 mas FK5 10 mas 10 mas Hipparcos 1 mas 1 mas ICRF 100 µas Gaia 10 µas 1 µas SIM 0 1400 1500 Quelle: Klioner/Dresden 1600 1700 1800 1900 2000 100 µas 10 µas 1 µas 2100 ICRF: Inertial Celestial Ref Frame VLBI Quasare Defining sources (212) Candidate sources (294) Other sources (102) BCRS = Barycentric Celestial Reference System (IAU 2000) Hipparcos (ESA 1989-1993) • 5 Größen vermessen: a, d, p, µa, µd • Jedoch nicht die radiale Geschwindigkeit Vr! • Hipparcos Katalog: mit 118.000 Sternen Genauigkeit: 1 mas Tycho Katalog: die 2,5 Mio hellsten Sterne Genauigkeit: 20 – 30 mas Der Name HIPPARCOS: HI high- P precision PAR parallax CO collecting S satellite High-precision parallax collecting satellite ! Hipparcos Katalog Hipparcos Katalog 2 Hip – Sterne pro Quadratgrad Hip – Tycho Katalog Sterne Grad² Hip – mittlere Parallaxe Projekt Gaia (ESA 2013-2019) Gaia (ESA) Start: Dez. 2013 in L2 Erde-Sonne ZAH & MPIA HD beteiligt GAIA steht für ... [Global Astrometric Interferometer for Astrophysics] Galactic Astrophysics Imaging and Astrometry General Astrometric Instrument for Astronomy Great Accuracy In Astrometry Great Advances In Astrophysics Eine kurze Geschichte der Gaia-Mission 1993 Erster Vorschlag eines Hipparcos-Nachfolgers an ESA (“Roemer”) 1994 Astrometrie bei 10 Mikrobogensekunden als strategisches ESA-Ziel 1995 Der Name Gaia, die Grundzüge des heutigen Konzepts 1995 Wissenschaftl. Tagung “future astrometry in space” (Cambridge UK) 1996 Weitere Projekte werden vorgeschlagen (DIVA, FAME, LIGHT, Jasmine) 1997/99 Machbarkeitsstudie 2000 ESA (SPC) beschließt Gaia als “Cornerstone”-Mission im September 2002 ESA-Finanzkrise, Bestätigung von Gaia im Juni, starke Verbilligung 2003/04 Technische Detailstudien, Konzeptverfeinerungen 2005 Bildung der wissenschaftlichen Konsortien 2005 Baubeginn (Phase B) 2013 Start am 19.12.2013 2014 Beginn der wissenschaftlichen Messungen nach etwa 100 Tagen 2018/19 Ende der wissenschaftlichen Messungen 2020/21 Veröffentlichung des fertigen Sternkatalogs Sonde und Rakete • reine ESA Mission • Startzeitpunkt: Dez. 2013 (2 Jahre versp.) • Lebensdauer: 5 Jahre • Trägerrakete: Soyuz • Umlaufbahn: L2 (Erde-Sonne) • Bodenstation: Perth oder Madrid • Datenrate: 1 Mb/s ( = 3 Mb/s * 8 h/Tag ) • Masse: 1700 kg (Nutzlast 800 kg) • Energiebedarf: 2000 W (Nutzlast 1200 W) 11 m Soyuz-Laderaum mit Gaia Lagrange-Punkte Erde-Sonne Geometrie: Lagrange-Punkte Distanz L2 Transfer Orbit nach L2 Earth 32 Entfaltung im Flug nach L2 Uli Bastian, ARI/ZAH Gaia vermisst die Milchstraße OATo Seminars on formation and 10 as/yr = 1 km/sec at 20 kpc 10 as = 10% distances at 10 kpc of the Galaxy Evolution 34 Gaia Entdeckungsmaschine • • • • • • • 1 Milliarde Sterne (Dynamik Galaxis) 250.000 Asteroiden 2000 exosolare Planeten (150.00 Sterne) 50.000 Braune Zwerge 100.000 Weiße Zwerge 10.000 Supernovaüberreste ~ 500.000 aktive Galaxien und Quasare Gaia Payload, Genauigkeit und Datenanalyse Payload Spezifikationen • Mission Lifetime 5 years nominal, >4 years observation • Solar Aspect Angle >120° (payload protection from Sun) • Spacecraft stabilised 3-axis, with 120 arcsec/sec scanning law (1 revolution every 3 hr) • Lift-off Mass 3137 kg, with autonomous propulsion 2337 kg, without propulsion (with 20% system margin) • Power (with 10% system margin) • Pointing Accuracy (3): • absolute pointing error • relative pointing error 2468 W at 5-year end-of-life 2616 W at 6-year end-of-life < 5 arcmin < 0.002 arcsec/sec (1) Payload Modul Operating Temperatur: - 110 C Kosten der Gaia-Sonde (current Cornerstone 5 Budget Envelope = 541.7 MEuro) Project Cost Estimate Procurement Cost MEuro (EC 2000) 413.8 (ESA + Industry + Overheads + Contingency) Spacecraft Operations 35.3 Science Operations 12.9 Launch 111.9 Total Project Cost Estimate 573.9 Teleskop mit Spiegelanordnung Rotationsachse (6h) zwei SiC-Hauptspiegel 1,45 0,5 m2 bei 106,5° Basiswinkel Basiswinkelmonitor SiCRingstruktur (optische Bank) Überlagerung der zwei Gesichtsfelder Abbildung EADS-Astrium gemeinsame Fokalebene (CCDs) SiC Ringstruktur SiC Ringstruktur mit Spiegeln Astrometric instrument: Light path 1 2 3 4 Strahlengang im Teleskop Rotationsachse SiC Hauptspiegel 1.4 0.5 m2, 106° Basiswinkel Überlagerung der Gesichtsfelder SiC Ringstruktur Kombinierte Fokalebene (CCDs) BasiswinkelKontrollsystem Figure courtesy Alex Short Fokalebene 104,26cm 42,35cm Rot-Photometer CCDs Wave Front Sensor Blau-Photometer CCDs Wave Front Sensor Basic Angle Monitor Basic Angle Monitor RadialGeschwindigkeitsSpektrometer CCDs Sternbewegung in 10 s Sky Mapper CCDs CCDs im astrometrischen Feld Gesamtgesichtsfeld: - Fläche: 0,75 Quadratgrad - CCDs: 14 + 62 + 14 + 12 - 4500 x 1966 Pixel (TDI-Modus) - Pixelgröße = 10 µm x 30 µm = 59 mas x 177 mas Sky mapper: - erfasst alle Objekte bis 20 mag - unterdrückt “cosmics” - Gesichtsfeldunterscheidung Astrometrie: - Gesamtrauschen: 6 e- Photometrie: - Zweiteiliges Spektrophotometer - blau- und rot-empfindliche CCDs Spektroskopie: - hochauflösende Spektren - rot-empfindliche CCDs 46 106 Gaia CCDs completed 14. Juli 2011 Gaia – Video AstroViews Prinzip der Himmelsabtastung 45o Gesichtsfeldwinkel: 106,5 Grad Rotationsachse: 45o zur Sonne Stabilität Rotation Abtastrate: 60 Bogensek./Sek. Rotationsperiode: 6 Stunden Präzession: 2 Monate Jeder Stern wird ~ 1000 mal abgescant Genauigkeit 13 Prinzip der Himmelsabtastung Gaia Himmelsüberdeckung Äquator Anzahl Quellen pro Tag Gaia–Video 1-GigaPixel Camera Astrometrische Genauigkeit: Die Plejaden π = 7.69 mas (Kharchenko et al. 2005 ) verschiedene Methoden π = 7.59 ± 0.14 mas (Pinsonneault et al. 1998) MS Fitting π = 8.18 ± 0.13 mas (Van Leeuwen 2007) (mod=5.44 ±0.03, 122pc) new red. Hipparcos Daten π = 7.49 ± 0.07 mas (Soderblom et al. 2005) mittels 3 HST Parallaxen im inneren Halo GAIA Anforderungsprofil • Astrometrie (V < 20 mag): – Vollständigkeit bis 20 mag (On-Bord-Detektion) 1 Milliarde Sterne – Genauigkeit: 10–25 Mikrobogensekunden bei 15 mag (Hipparcos: 1 Millibogensekunde bei 9 mag) – Himmelsabtastender Satellit, zwei Blickrichtungen Globale Astrometrie, mit optimaler Ausnutzung der Beobachtungszeit – Datenauswertung: globale astrometrische Reduktion (wie bei Hipparcos) • Photometrie (V < 20 mag): – Astrophysikalische Sternparameter (niedrige Dispersion) + astrometrischer Farbfehler Teff ~ 200 K, log g, [Fe/H] auf 0,2 dex genau, Extinktion • Radialgeschwindigkeiten (V < 16–17 mag): – Anwendungen: • Dritte Komponente der Raumbewegung, perspektivische Beschleunigung • Stellardynamik, Sternpopulationen, Doppelsterne • Spektren: chemische Zusammensetzung, Rotation der Sterne – Messprinzip: spaltlose Spektroskopie im Bereich des Calcium-Tripletts (847–874 nm) Astrometrische Genauigkeit ( guess ) V Helligkeit Messverfahren für die Photometrie Detektoren Detektorenfür fürdas das RotRot-und unddas dasBlauBlauPhotometer Photometer Astrometrisches Feld Sky mapper BAM & WFS Detektoren für das RadialGeschwindigkeitsSpektrometer (RVS) BlauPhotometer: 330–680 nm Rot-Photometer: 640–1000 nm M4/M’4 Strahl-Kombinierer PhotometerPrismen RVS Gitter und afokaler FeldKorrektor M5 & M6 Umlenk-Spiegel Figures courtesy EADS-Astrium Messverfahren für Radialgeschwindigkeiten Gesichtsfeld RadialgeschwindigkeitsSpektrograph RVS) CCD Detektoren RVS-Spektrum eines F3-Riesen (V=16) S/N = 7 (Einzelmessung) S/N = 130 (integriert über die gesamte Mission) Figures courtesy David Katz P: Paschen-Linien Ca II Spektren Kühler Stern: 3500 K Heißer Stern: 9000 K Akkretionsscheibe Messverfahren für Radialgeschwindigkeiten 1°×1° (3600×3600 Pixel) Pixelgröße 20 µm CCD Teleskop Kamera-Optik Dispersionsgitter Kollimator Sternfeld 1°×1° Höhe eines Spektrums 307 Pixel 120 Pixel/s Abtastrate Rotation F3 Riese S/N = 7 (Einzelmessung) S/N = 130 (integriert über die gesamte Mission) Einstein 1915: Allgemeine Relativitätstheorie Lichtablenkung, Eddington 1919 gemessen Gravitation krümmt den Raum Lichtablenkung an Sonne und Planeten b a = 2(g+1)GM/c²b = 1,7505 arcsec ( RSonne / b ) 1919 Eine handliche und exakte Formel für die Lichtablenkung 1 g 4GM R 1 . 2 . . 2 c R r 2 tan 2 4GM if 1 R / r da g 2 Grazing deflection c R da 2R d Grazing r Sun da Gaia = 45 deg (mas) Gaia min (mas) 1750 13 10 mas 2.5 as Earth 0.5 0.003 Jupiter 16 16 2 as Saturn 6 6 0.3 as Monopol Gravitations-Lichtablenkung • Verteilung am Himmel: 25.01.2006 at 16:45 in äquatorialen Koordinaten Körper (as) >1as Sun 1.75 180 83 9 Venus 493 4.5 Earth 574 125 Mercury Moon 26 5 Mars 116 25 Jupiter 16270 90 Saturn 5780 17 Uranus 2080 71 Neptune 2533 51 Quelle: Klioner Quadrupol-Moment J2 des Jupiter erzeugt Lichtablenkung Ziel ist: • die QuadrupolAblenkung vom Monopol zu trennen. • Damit zum ersten Male den Effekt der QuadrupolLichtablenkung am Jupiter zu messen. 100 µas Monopol Displacement Vektorfeld von mid2012 bis mid2018 (obs view) Quadrupol Displacement Vektorfeld von mid2012 bis mid2018 angular positions of the spin axis w.r.t. the direction towards the observer GaiaProjekt-Organisation Projekt Organisation ESA Industrie - ESOC - ESTEC - Wissenschaft Prime Contractor Sub-Contractors EADS Astrium Orbit Operations Project Scientist Project Manager Project Team Test Facilities (s. nächste Folie) Gaia Science Team (GST) Frederic Arenou (Meudon) Coryn Bailer-Jones (MPIA, Heidelberg) Ulrich Bastian (ARI, Heidelberg) Erik Hoeg (Copenhagen) Andrew Holland (Leicester) Carme Jordi (Barcelona) David Katz (Meudon) Mario Lattanzi (Torino) Floor van Leeuwen (Cambridge) Lennart Lindegren (Lund) Xavier Luri (Barcelona) Francois Mignard (Nice) Michael Perryman (Project Scientist, ESA) Nationen: 3 F, 2 G, 2 E, 2 GB, 1 S, 1 DK, 1 I, 1 ESA "Distinguished Visitor" at ZAH and MPIA in 2010 Organisation of Scientific Work Gaia Projekt-Organisation GAIA Science Team (13 people) Satellite/Payload Specific Objects Data Processing Error Budget Multiple Stars Data Base Focal Plane/Detection Planetary Systems Simulations Photometry Variable Stars Imaging Radial Velocity Solar System Objects Classification Calibration Relativistic Model Sampling/Telemetry Science Alerts Working groups: about 150 European ‘core’ and ‘associate’ members Gaia Zeitplan Proposal Concept & Technology Study Mission Selection Re-Assessment Study Phase B1 Definition Selection of Prime Contractor (EADS Astrium SAS) Phase B2 Phase C/D Implementation Launch Dez. 2013 Scientific operation Operation Studies Software Development (DPAC) Data Processing Data Processing Mission Products Figure courtesy Michael Perryman and François Mignard Intermediate Heute Final Das Resultat Zusammenfassung • Gaia ist erfolgreich gestartet. • Gaia wird die Astronomie bereichern. • Zentrale Aufgabe ist die Vermessung von 1 Mrd. Sternen in der Milchstraße mit bisher unerreichter Genauigkeit. • Gaia wird auch viele Asteroiden finden. • =============================== • Kennen Sie apod? www.starobserver.org • Homework: Welches Bild war am 14.1.2014 auf apod diskutiert? Heute? Gaia – Zum Nachdenken • Wieviele Sterne beobachtet Gaia im Mittel pro Quadratgrad? Wieviele hat Hipparcos? • Wie groß ist das Gesichtsfeld von Gaia? • Wie schnell läuft ein Stern übers CCD? • Welches Speichervermögen müsste Gaia haben, um alle Pixel auszulesen? Wieviel Datenstrom wird effektiv übertragen? • Ein Stern im Abstand von 10 kpc bewegt sich mit 10 km/s tangential. Wie groß ist die Eigenbewegung µ in mas/year?
