Das GAIA Projekt 6-dimensionale Milchstraße

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) >1as
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?