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Die Vermessung der Milchstraße: Hipparcos, Gaia, SIM Vorlesung von Ulrich Bastian ARI, Heidelberg Sommersemester 2004.

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Präsentation zum Thema: "Die Vermessung der Milchstraße: Hipparcos, Gaia, SIM Vorlesung von Ulrich Bastian ARI, Heidelberg Sommersemester 2004."—  Präsentation transkript:

1 Die Vermessung der Milchstraße: Hipparcos, Gaia, SIM Vorlesung von Ulrich Bastian ARI, Heidelberg Sommersemester 2004

2 Gliederung 1.Populäre Einführung I: Astrometrie 2.Populäre Einführung II: Hipparcos und Gaia 3.Wissenschaft aus Hipparcos-Daten I 4.Wissenschaft aus Hipparcos-Daten II 5.Hipparcos: Technik und Mission 6.Astrometrische Grundlagen 7.Hipparcos Datenreduktion Hauptinstrument 8.Hipparcos Datenreduktion Tycho 9.Gaia: Technik und Mission 10.Gaia Global Iterative Solution 11.Wissenschaft aus Gaia-Daten 12.Sternklassifikation mit Gaia 13.SIM und andere Missionen

3 Populäre Einführung II: Hipparcos & Gaia Der entscheidende Schritt in den Weltraum

4 Probleme erdgebundener Astrometrie: - Refraktion - Szintillation - Mechanische Biegung - Thermische Biegung - Erdrotation, Nutation, Polschwankungen - Horizont Die Lösung: Man gehe in den Weltraum !

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7 Der Name HIPPARCOS: HI high- P precision PAR parallax- CO collecting S satellite High-precision parallax-collecting satellite !

8 Der Name HIPPARCOS: HI high- P precision PAR parallax CO collecting S satellite High-precision parallax collecting satellite !

9 Eine kurze Geschichte der Hipparcos-Mission 1967 Erster Vorschlag einer Astrometrie-Mission (P. Lacroute an CNES) 1974 Erste wissenschaftliche Tagung über space astrometry (Frascati) 1977 ESA beginnt eine Machbarkeitsstudie (Hoeg sagt: 1975) 1980 ESA beschließt Hipparcos im März 1981/82 Bildung der wissenschaftlichen Konsortien 1982 Baubeginn (Phase B) 1988 Ariane-Fehlschlag; Startverzögerung 1989 Start am Fehlzündung am Beginn der wissenschaftlichen Messungen im November 1993 Ende der wissenschaftlichen Messungen im März 1997 Veröffentlichung des fertigen Sternkatalogs 1997 Abschlusskonferenz in Venedig, Mai 1998 Guinness Book of Records 2001 Rund 1000 wissenschaftliche Veröffentlichungen

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12 Mission und Messprinzip

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21 Die Bedeutung der zwei Gesichtsfelder

22 Die folgenden Filme sind im selben Ordner wie diese Powerpoint-Präsentation unter den Dateinamen meas2.avi und meas3.avi zu finden.

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26 Lokale Astrometrie und globale Astrometrie (relative) (absolute)

27 Lokale Astrometrie (relative Astrometrie)

28 Globale Astrometrie (absolute Astrometrie)

29 Datenauswertung, Grundideen

30 Nächstes Bild: Bearbeitung des rohen Detektorsignals (Image Dissector Tube Data Processing) Aus der Höhe der periodischen Wellenkurven wird die photometrische Information gewonnen. Aus der Phase der periodischen Wellenkurven wir die astrometrische Information gewonnen. Durch das schnelle Hin- und Herspringen zwischen den Sternen werden quasi-simultane Beobachtungen gewonnen; dadurch weitgehende Elimination der Attitude aus den gemessenen Phasendifferenzen. Daraus folgend: Relative Astrometrie über kleine und große Winkel zugleich.

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32 Nächstes Bild: Großkreisreduktion (Great-Circle Reduction) Aus der Bedingung des 360-Grad-Schlusses wird die grundlegende Information über die geometrische Kalibration des Instruments gezogen. Der Vorgang ist in Wahrheit sehr viel komplizierter als in der heutigen Vorlesung dargestellt. Erst in der Vorlesung Nr. 7 wird erklärt, was in der Großkreisreduktion tatsächlich gemacht wird. Dennoch ist der 360-Grad-Schluss die eigentliche geometrische Grund- idee, die eine Bestimmung der relevanten Instrumentgeometrie mit einer Genauigkeit weit jenseits jeglicher mechanischer Messungen möglich macht. Das Ergebnis der Großkreisreduktion sind hochgenaue eindimensionale Koordinatendifferenzen entlang des Referenz-Großkreises (plus hochgenauer Attitude entlang des Kreises und hochgenauer eindimensionaler Kalibration).

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34 Enorme Stabilitätsanforderungen: Thermo-mechanische Stabilität: 1 Millibogensekunde mal 15 cm = 0.75 nm (ca. Atomdurchmesser) über mehrere Stunden ! Gleichmäßigkeit der Rotationsbewegung: 1 Millibogensekunde mal 1 m = 5 nm über einige Sekunden

35 Die falsche Bahn: - thermische Unruhe - magnetische Unruhe - zeitweise Unsichtbarkeit - zusätzliche Luftreibung - Strahlungsgürtel - mehrere Bodenstationen - Zusatzkosten

36 Nächstes Bild: Aufbau einer zweidimensionalen Himmelskugel (Sphere Solution) Die Hipparcos-Messungen sind primär eindimensional. Dennoch lässt sich daraus eine zweidimensionale Himmelskugel aufbauen. Wiederum ist der Vorgang ist in Wahrheit sehr viel komplizierter als in der heutigen Vorlesung dargestellt. Erst in der Vorlesung Nr. 7 wird erklärt, was in der Sphere Solution tatsächlich gemacht wird. Das Ergebnis sind Nullpunkte der Großkreiskoordinaten, weitere Kalibrationsgrößen und die astrometrischen Parameter (Positionen, Eigenbewegungen und Parallaxen) einer braven Untermenge der beobachteten Sterne.

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38 Dritter und letzter Schritt: Astrometrische Parameter für alle Sterne Die Sterne, die für die Sphere Solution ausgeschlossen waren (weil sie entweder zu lichtschwach waren, zu selten oder zu unregelmäßig beobachtet wurden oder weil sie nicht brav waren), werden nun in die vorher gewonnenen hochgenauen Attitude und Kalibrationen sozusagen eingehängt. Und die nicht braven können nun einer sorgfältigen Einzelbearbeitung unterzogen werden.

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40 Je eine linke und eine rechte Seite des gedruckten Hipparcos-Hauptkatalogs (von insgesamt 2400 Seiten) sind im gleichen Ordner wie diese Powerpoint-Präsen- tation als pdf-Dateien unter den Dateinamen hip-vol5-seite236 und hip-vol5-seite237 zu finden. Beide Seiten enthalten Daten über die Sterne HIP bis HIP Die linke Seite enthält im Wesentlichen die astrometrischen Ergebnisse, die rechte hauptsächlich photometrische Ergebnisse und Doppelsternparameter.

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42 Missionskosten (Preisniveau 1995, 1 AU= 2DM): Satellit 337 MAU ESA intern 74 MAU Start 62 MAU Betrieb 107 MAU Summe 580 MAU Dazu Datenauswertung: ca. 80 MAU = 1000 Mannjahre = 60 Mann* 16 J. Insgesamt ca. 200 Wissenschaftler beteiligt, nicht alle Vollzeit

43 Nun aber zur Zukunft, zu Gaia !

44 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) 2010 Start am (nun ja, das kann auch 2012 werden) 2010 Beginn der wissenschaftlichen Messungen nach etwa 100 Tagen 2015/16 Ende der wissenschaftlichen Messungen 2018/20 Veröffentlichung des fertigen Sternkatalogs

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46 Gaia: Vollständigkeit, Empfindlichkeit,Genauigkeit Helligkeits-Grenze Vollständigkeit Überbelichtungsgrenze Anzahl der Messobjekte Effektive Reichweite Quasare Galaxien Genauigkeit Breitband-Photometrie Mittelband-Photometrie Radialgeschwindigkeiten Beobachtungsprogramm 12 mag 7,3 – 9,0 mag ~ 0 mag kpc (100 pc) keine ~ 1 Millibogensekunde 2 Farben (B und V) keine nur ausgewählte Sterne 20 mag ~ 20 mag ~ 3 – 7 mag 26 Millionen bis V = Millionen bis V = Millionen bis V = kpc (10 kpc) ~ 5 × – Mikrobogensekunden bei V = Mikrobogensekunden bei V= Mikrobogensek. bei V=20 5 Farben bis V = Farben bis V=20 ca. 1 km/s bis V = 17 Vollständig, ohne Vorauswahl 3 Und das alles für praktisch den gleichen Preis wie Hipparcos !

47 Astrometric Accuracy 5-year accuracies, in as (2002 values; not quite up to date)

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49 Wie soll diese Wundermaschine aussehen und funktionieren? Grundprinzipien: Genau wie Hipparcos Technik: Völlig anders Erfahrungen aus Hipparcos, dazu 20 Jahre allgemeinen technischen Fortschritts, und natürlich eine Menge guter Ideen im Detail.

50 Prinzip der Himmelsabtastung Rotationsachse: 50 o zur Sonne Abtastrate: 60 Bogensek./Sek. Rotationsperiode: 6 Stunden

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52 Satellit und Rakete Masse: 1700 kg (Nutzlast 800 kg) Energiebedarf: 2000 W (Nutzlast 1200 W) reine ESA Mission Startzeitpunkt: Lebensdauer: 5 Jahre Trägerrakete: Soyuz Umlaufbahn: L2 (Erde-Sonne) Bodenstation: Perth oder Madrid Datenrate: 1 Mb/s ( = 3 Mb/s * 8 h/Tag ) 9

53 L1 L2 Sun Earth 1.5x10 6 km Wo Gaia stationiert wird: (Wahre Entfernungsverhältnisse)

54 Kenntnis der Bahn auf ca. 1 mm/s notwendig ! Bahn eigentlich instabil, halbjährliche Manöver um mm/s nötig.

55 Nutzlast und Teleskop SiC Hauptspiegel m 2, 106° Basiswinkel Überlagerung der Gesichtsfelder SiC Ringstruktur Basiswinkel- Kontrollsystem Kombinierte Fokalebene (CCDs) Rotationsachse

56 Astrometric instrument

57 Astrometrische Fokalebene Gesamtgesichtsfeld: - Fläche: 0.6 Quadratgrad - Größe: cm 2 - Anzahl der CCDs: Größe der CCDs: 4500 x 1966 pixels Sky Mapper: - erfasst alle Objekte bis 20 mag - unterdrückt cosmics Astrometrisches Feld: - Pixelgröße: m 2 - Fensterfläche: 6 12 Pixel - Löschrate: 15 MHz - Ausleserate: 30 kHz - Gesamtrauschen: 6e - Breitbandphotometrie: - 5 Farben Sternbewegung Optisches Zentrum des ASTRO Felds # 1 Optisches Zentrum des ASTRO Felds #2 Mechanisches Zentrum

58 GAIA spectrophotometry and radial velocities High resolution spectra for: - 3 rd component of space motion - perspective acceleration - stellar abundances, rotation velocities Medium band photometer for: - classification of all objects - physical parametrization of stars T eff, log g, [Fe/H], [ /H], A( )

59 Messverfahren für Radialgeschwindigkeiten F3 Riese S/N = 7 (Einzelmessung) S/N = 130 (integriert über die gesamte Mission) Teleskop Rotati on 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

60 Ca II spectra ESA (2000)

61 Ergebnisse der Gaia-Mission (Schätzungen): Stern-Entfernungen auf 10 %: 150 Millionen (HIP: 21000) 1 %: 20 Millionen (HIP: 100 ?) 0.1 %: 1 Million (HIP: keine) Veränderliche Sterne: 50 Millionen (HIP: 8000) Astrometr. Doppelsterne: 100 Millionen (HIP: 3000) davon mit Bahnen: (HIP: 235) Direkte Sternmassen auf 1%: > (bisher ein paar Dutzend ? ) Weiße Zwerge: Braune Zwerge: (bisher ein paar Dutzend) Planetensysteme: (bisher 120) Supernovae: (bisher einige tausend) Kleinplaneten: ? (bisher ) Relativitätstheorie auf (bisher , oder ? ) Vollständige Sternzählungen, genaue Sternzählungen, überall. ->

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64 Extra-Solar Planets: Detection Domains

65 Example performance distance precision to members of the Hyades cluster GroundHipparcosGAIA

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68 Simulation of the Galactic plane (50000 OB stars) Photometric distancesGaia distances Heliocentric x coordinate (pcs) Heliocentric y coordinate Heliocentric x coordinate (pcs) Heliocentric y coordinate (Drimmel, Smart & Lattanzi, 1997)

69 ICRF: Source distribution Defining sources (212)Candidate sources (294)Other sources (102)

70 GAIA stands for... Global Astrometric Interferometer for Astrophysics Galactic Astrophysics through Imaging and Astrometry General Astrometric Instrument for Astronomy Great Advances In Astrophysics Great Accuracy In Astrometry


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