das gaia projekt 6-dimensionale milchstraße · teleskop sic hauptspiegel 1.4 0.5 m2, 106°...
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Das ESA Projekt Gaia Vermessung der Milchstraße
Max Camenzind Senioren Uni Würzburg SS2014 @ 14.04.2014
www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi
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
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
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 !
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
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
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)
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
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
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
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
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
Gravitation krümmt den Raum Lichtablenkung an Sonne und Planeten
a = 2(g+1)GM/c²b = 1,7505 arcsec ( RSonne / b )
b
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
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
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?