Das ESA Projekt Gaia Vermessung der Milchstraße

Max Camenzind Senioren Uni Würzburg SS2014 @ 14.04.2014

www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi

Gaia = Erde

Zur Geschichte…

1725: Stellare Aberration (Bradley), confirming: – Earth’s motion through space – finite velocity of light – immensity of stellar distances

125 B.C.: Präzession of the equinoxes (Hipparchus)

1717: Erste Eigenbewegung (Halley)

1783: Sun’s motion through space (Herschel)

1838-9: Erste Parallaxen-Messung (Bessel/Struve)

610 B.C.: Schiefe der Ekliptik (Anaximander)

1761/9: Venus-Transits – solare Parallaxe

1609 – Teleskope Vorteile

OATo Seminars on formation and

Evolution of the Galaxy

5

Gaia im Kontext

OATo Seminars on formation and

Evolution of the Galaxy

6

GAIA: Vermessung der Galaxis

OATo Seminars on formation and

Evolution of the Galaxy

7

M83 image (with Sun marked)

Die Milchstraße

im Visier

OATo Seminars on formation and

Evolution of the Galaxy

8

Scheibe

Nucleus (~ 3 pc)

Bulge (~ 3 kpc)

Halo (> 30 kpc)

Kugel-

sternhaufen

NGC 4565

• 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

• Scan-Modus

• Projekt-Organisation

• Lichtablenkung und ART

Unsere Themen

Literatur: U. Bastian; SuW Mai & Juni 2013

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

Definition

Parsek

Faktor 100

Genauigkeit Parallaxe

Genauigkeit astrometrischer Beobachtung

1 mas

1 µas 10 µas

100 µas

10 mas

100 mas

1“

10”

100”

1000”

1 µas 10 µas

100 µas

1 mas

10 mas

100 mas

1”

10”

100”

1000”

1400 1500 1700 1900 2000 2100 0 1600 1800

Ulugh Beg

Wilhelm IV Tycho Brahe

Hevelius Flamsteed

Bradley-Bessel

FK5

Hipparcos

Gaia

SIM

ICRF

GC

Auge Teleskop Space

1400 1500 1700 1900 2000 2100 0 1600 1800

Hipparchus

Quelle: Klioner/Dresden

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 Advances In Astrophysics

Great Accuracy In Astrometry

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

32

Earth

Transfer Orbit nach L2

Entfaltung

im Flug nach L2

Uli Bastian, ARI/ZAH

OATo Seminars on formation and

Evolution of the Galaxy

34

Gaia vermisst die Milchstraße

10 as = 10% distances at 10 kpc 10 as/yr = 1 km/sec at 20 kpc

• 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

Entdeckungsmaschine

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

(with 20% system margin) 2337 kg, without propulsion

• Power 2468 W at 5-year end-of-life

(with 10% system margin) 2616 W at 6-year end-of-life

• Pointing Accuracy (3):

• absolute pointing error < 5 arcmin

• relative pointing error < 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 MEuro

(EC 2000)

Procurement Cost (ESA + Industry + Overheads + Contingency)

413.8

Spacecraft Operations 35.3

Science Operations 12.9

Launch 111.9

Total Project Cost Estimate 573.9

Teleskop mit Spiegelanordnung

SiC-

Ringstruktur

(optische Bank)

Basiswinkel-

monitor

gemeinsame

Fokalebene

(CCDs)

Rotationsachse (6h)

Abbildung EADS-Astrium

Überlagerung der

zwei Gesichtsfelder

zwei SiC-Hauptspiegel

1,45 0,5 m2 bei 106,5° Basiswinkel

SiC Ringstruktur

SiC Ringstruktur mit Spiegeln

Astrometric instrument: Light path

1 2

3 4

Strahlengang im

Teleskop SiC Hauptspiegel

1.4 0.5 m2, 106° Basiswinkel

Überlagerung der

Gesichtsfelder

SiC Ringstruktur

Basiswinkel-

Kontrollsystem

Kombinierte

Fokalebene (CCDs)

Rotationsachse

46

Fokalebene

Sternbewegung in 10 s

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

CCDs im astrometrischen Feld

Bla

u-P

ho

tom

eter C

CD

s

Sky Mapper

CCDs

104,26cm

Ro

t-Ph

oto

meter

CC

Ds Radial-

Geschwindigkeits-

Spektrometer

CCDs

Basic

Angle

Monitor

Wave Front Sensor

Basic

Angle

Monitor

Wave Front Sensor

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

42

,35

cm

Figure courtesy Alex Short

106 Gaia CCDs completed 14. Juli 2011

Gaia – Video AstroViews

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

45o

1313

Prinzip der Himmelsabtastung

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

• 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)

GAIA Anforderungsprofil

( guess )

Astrometrische Genauigkeit

V Helligkeit

Messverfahren für die Photometrie

Figures courtesy EADS-Astrium

Blau-

Photometer:

330–680 nm

Rot-Photometer:

640–1000 nm

Detektoren für das

Rot- und das Blau-

Photometer

Detektoren für das

Radial-

Geschwindigkeits-

Spektrometer (RVS)

Detektoren für das

Rot- und das Blau-

Photometer

RVS Gitter und

afokaler Feld-

Korrektor

Astrometrisches Feld

Sky mapper

BAM & WFS

M4/M’4

Strahl-Kombinierer

M5 & M6

Umlenk-Spiegel

Photometer-

Prismen

Messverfahren für Radialgeschwindigkeiten

RVS-Spektrum eines F3-Riesen

(V=16)

S/N = 7 (Einzelmessung)

S/N = 130 (integriert über die

gesamte Mission)

Gesichtsfeld Radialgeschwindigkeits-

Spektrograph RVS) CCD Detektoren

Figures courtesy David Katz

Ca

II S

pe

ktr

en

P

: P

asc

hen

-Lin

ien

Kühler Stern: 3500 K

Heißer Stern: 9000 K

Akkretionsscheibe

Messverfahren für Radialgeschwindigkeiten

F3 Riese

S/N = 7 (Einzelmessung)

S/N = 130 (integriert über

die gesamte Mission)

Teleskop

Rotation

Sternfeld

1°×1°

Kamera-Optik

Dispersionsgitter

Kollimator

CCD

1°×1°

(3600×3600 Pixel)

Pixelgröße 20 µm

Höhe eines

Spektrums

307 Pixel

120 Pixel/s

Abtastrate

Einstein 1915:

Allgemeine

Relativitätstheorie Lichtablenkung,

Eddington 1919

gemessen

Gravitation krümmt den Raum Lichtablenkung an Sonne und Planeten

a = 2(g+1)GM/c²b = 1,7505 arcsec ( RSonne / b )

b

1919

Eine handliche und exakte Formel für die Lichtablenkung

deflection Grazing4

/1 f

2tan2

1..

4.

2

1

2

2

Rc

GMrRi

r

R

Rc

GM

gda

gda

r

2R

Grazing

(mas)

Gaia

min

(mas)

Gaia = 45 deg

Sun 1750 13 10 mas

Earth 0.5 0.003 2.5 as

Jupiter 16 16 2 as

Saturn 6 6 0.3 as

d

da

Monopol Gravitations-Lichtablenkung

Körper (as) >1as

Sun 1.75 180

Mercury 83 9

Venus 493 4.5

Earth 574 125

Moon 26 5

Mars 116 25

Jupiter 16270 90

Saturn 5780 17

Uranus 2080 71

Neptune 2533 51

• Verteilung am Himmel: 25.01.2006 at 16:45

in äquatorialen Koordinaten

Quelle: Klioner

Ziel ist:

• die Quadrupol-

Ablenkung vom Monopol

zu trennen.

• Damit zum ersten Male

den Effekt der Quadrupol-

Lichtablenkung am Jupiter

zu messen.

100 µas

Quadrupol-Moment J2 des Jupiter

erzeugt Lichtablenkung

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

Projekt-Organisation

ESA

Industrie - ESOC - ESTEC - Wissenschaft

Prime Contractor Orbit Project Scientist (s. nächste Folie)

Sub-Contractors Operations Project Manager

EADS Astrium Project Team

Test Facilities

Gaia Projekt Organisation

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

Gaia Science Team (GST)

Organisation of Scientific Work

Sampling/Telemetry

Calibration

Radial Velocity

Photometry

Focal Plane/Detection

Error Budget

Satellite/Payload

Solar System Objects

Variable Stars

Planetary Systems

Multiple Stars

Specific Objects

Science Alerts

Relativistic Model

Classification

Imaging

Simulations

Data Base

Data Processing

GAIA Science Team(13 people)

Working groups: about 150 European ‘core’ and ‘associate’ members

Gaia Projekt-Organisation

Proposal

Concept & Technology Study

Mission Selection

Re-Assessment Study

Phase B1

Scientific operation

Launch Dez. 2013

Final

Studies

Data Processing

Implementation

Data Processing

Definition

Operation

Mission Products Intermediate

Selection of Prime Contractor (EADS Astrium SAS)

Phase B2

Phase C/D

Software Development (DPAC)

Heute Figure courtesy Michael Perryman and François Mignard

Gaia Zeitplan

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?