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

Gliederung Populäre Einführung I: Astrometrie Populäre Einführung II: Hipparcos und Gaia Wissenschaft aus Hipparcos-Daten I Wissenschaft aus Hipparcos-Daten II Hipparcos: Technik und Mission Astrometrische Grundlagen Hipparcos Datenreduktion Hauptinstrument Hipparcos Datenreduktion Tycho Gaia: Technik und Mission Gaia Global Iterative Solution Wissenschaft aus Gaia-Daten Sternklassifikation mit Gaia SIM und andere Missionen

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

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

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

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

Eine kurze Geschichte der Hipparcos-Mission 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 Baubeginn (Phase B) 1988 Ariane-Fehlschlag; Startverzögerung Start am 8.8. 1989 Fehlzündung am 9.8. Beginn der wissenschaftlichen Messungen im November Ende der wissenschaftlichen Messungen im März Veröffentlichung des fertigen Sternkatalogs 1997 Abschlusskonferenz in Venedig, 13.-16. Mai Guinness Book of Records 2001 Rund 1000 wissenschaftliche Veröffentlichungen

Mission und Messprinzip

Die Bedeutung der zwei Gesichtsfelder

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

Lokale Astrometrie und globale Astrometrie (relative) (absolute)

Lokale Astrometrie (relative Astrometrie)

Globale Astrometrie (absolute Astrometrie)

Datenauswertung, Grundideen

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.

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).

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

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

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.

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.

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 11701 bis HIP 11800. Die linke Seite enthält im Wesentlichen die astrometrischen Ergebnisse, die rechte hauptsächlich photometrische Ergebnisse und Doppelsternparameter.

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

Nun aber zur Zukunft, zu Gaia !

Eine kurze Geschichte der Gaia-Mission Erster Vorschlag eines Hipparcos-Nachfolgers an ESA (“Roemer”) 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) 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) Start am 30.6. (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

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 120 000 1 kpc (100 pc) keine ~ 1 Millibogensekunde 2 Farben (B und V) nur ausgewählte Sterne 20 mag ~ 20 mag ~ 3 – 7 mag 26 Millionen bis V = 15 250 Millionen bis V = 18 1000 Millionen bis V = 20 100 kpc (10 kpc) ~ 5 × 105 106 – 107 4 Mikrobogensekunden bei V = 10 10-15 Mikrobogensekunden bei V=15 200-300 Mikrobogensek. bei V=20 5 Farben bis V = 20 11 Farben bis V=20 ca. 1 km/s bis V = 17 Vollständig, ohne Vorauswahl Und das alles für praktisch den gleichen Preis wie Hipparcos ! 3

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

Wie soll diese Wundermaschine aussehen und funktionieren 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.

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

Satellit und Rakete reine ESA Mission Startzeitpunkt: 2010-2012 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) 9

Wo Gaia stationiert wird: L1 L2 Sun Earth 1.5x106 km (Wahre Entfernungsverhältnisse)

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

Nutzlast und Teleskop Rotationsachse SiC Hauptspiegel 1.4  0.5 m2, 106° Basiswinkel Überlagerung der Gesichtsfelder SiC Ringstruktur Kombinierte Fokalebene (CCDs) Basiswinkel- Kontrollsystem

Astrometric instrument

Astrometrische Fokalebene Gesamtgesichtsfeld: - Fläche: 0.6 Quadratgrad - Größe: 75  60 cm2 - Anzahl der CCDs: 110+70 - Größe der CCDs: 4500 x 1966 pixels Sky Mapper: - erfasst alle Objekte bis 20 mag - unterdrückt “cosmics” Astrometrisches Feld: - Pixelgröße: 10  30 m2 - Fensterfläche: 6  12 Pixel - Löschrate: 15 MHz - Ausleserate: 30 kHz - Gesamtrauschen: 6e- Breitbandphotometrie: - 5 Farben Optisches Zentrum des ASTRO Felds # 1 Optisches Zentrum des ASTRO Felds #2 Mechanisches Zentrum Sternbewegung

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

Messverfahren für Radialgeschwindigkeiten 1°×1° (3600×3600 Pixel) Pixelgröße 20 µm CCD Teleskop Kamera-Optik Dispersionsgitter 120 Pixel/s Abtastrate Kollimator Höhe eines Spektrums 307 Pixel Sternfeld 1°×1° Rotation F3 Riese S/N = 7 (Einzelmessung) S/N = 130 (integriert über die gesamte Mission)

Ca II spectra ESA (2000)

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: 100 000 (HIP: 235) Direkte Sternmassen auf 1%: > 10 000 (bisher ein paar Dutzend ? ) Weiße Zwerge: 200 000 Braune Zwerge: 50 000 (bisher ein paar Dutzend) Planetensysteme: 50 000 (bisher 120) Supernovae: 100 000 (bisher einige tausend) Kleinplaneten: 500 000 ? (bisher 65 000) Relativitätstheorie auf 0.5 10-6 (bisher 50 10-6, oder 10 10-6 ? ) Vollständige Sternzählungen, genaue Sternzählungen, überall. ->

Extra-Solar Planets: Detection Domains

distance precision to members of the Hyades cluster Example performance distance precision to members of the Hyades cluster Ground Hipparcos GAIA

Simulation of the Galactic plane (50000 OB stars) -4000 -2000 0 2000 4000 Heliocentric x coordinate (pcs) 4000 2000 -2000 Heliocentric y coordinate -4000 -4000 -2000 0 2000 4000 Heliocentric x coordinate (pcs) 4000 2000 -2000 Heliocentric y coordinate -4000 Photometric distances Gaia distances (Drimmel, Smart & Lattanzi, 1997)

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

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