Die Vermessung der Milchstraße:
Hipparcos, Gaia, SIM
Vorlesung von Ulrich Bastian
ARI, Heidelberg
Sommersemester 2004
Gliederung
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
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 !
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 8.8.
1989
Fehlzündung am 9.8.
1989
Beginn der wissenschaftlichen Messungen im November
1993
Ende der wissenschaftlichen Messungen im März
1997
Veröffentlichung des fertigen Sternkatalogs
1997
Abschlusskonferenz in Venedig, 13.-16. Mai
1998
2001
Guinness Book of Records
Rund 1000 wissenschaftliche Veröffentlichungen
Mission und Messprinzip
Die Bedeutung der zwei Gesichtsfelder
Lokale Astrometrie und globale Astrometrie
(relative)
(absolute)
Lokale Astrometrie (relative Astrometrie)
Globale Astrometrie
(absolute Astrometrie)
Datenauswertung, Grundideen
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
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
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 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
Hipparcos
Gaia
Magnitude limit
Helligkeits-Grenze
Completeness
Vollständigkeit
Bright limit
Überbelichtungsgrenze
Number
of objects
Anzahl
der Messobjekte
1212 mag
7.3
7,3––9.0
9,0 mag
~0~ 0 mag
120
120000
000
Effektive
Reichweite
Effective
distance
Quasare
Quasars
Galaxien
Galaxies
Genauigkeit
kpc (100 pc)
1 1kpc
keine
None
keine
None
Millibogensekunde
~1~ 1milliarcsec
20
20 mag
mag
~20
~ 20 mag
mag
~3-7
~ 3 – mag
7 mag
26Millionen
millionbis
to VV==1515
26
250
V ==18
250Millionen
million bis
to V
18
1000 Millionen
bisV
V=
= 20
1000
million to
20
kpc (10 kpc)
1100
Mpc
~ 5
× 105
~5
7
1066 –- 10
10
107
4 Mikrobogensekunden bei V = 10
4 arcsec at V = 10
10-15 Mikrobogensekunden bei V=15
10-15 arcsec at V = 15
200-300 Mikrobogensek. bei V=20
200-300
arcsec at V = 20
5 Farben bis V = 20
5-colour
to V = 20
11 Farben bis V=20
11-colour
to V
20
ca. 1 km/s bis
V ==17
1-10
km/s to
V =Vorauswahl
16-17
Vollständig,
ohne
Complete and unbiased
limit
Accuracy
Breitband-Photometrie
Broad band
Mittelband-Photometrie
photometry
Medium
band
Radialgeschwindigkeiten
photometry
Radial
velocity
Beobachtungsprogramm
Observing programme
2 Farben (B und V)
2-colour
(B and V)
keine
None
keine
None
nur ausgewählte Sterne
Pre-selected
Und das alles für praktisch den gleichen Preis wie Hipparcos !
3
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:
Sun
L1 Earth L2
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)
BasiswinkelKontrollsystem
Astrometric instrument
M1
Astro focal
plane
M3
FPA
radiator
M2
M4
(1/2 focal plane
combiner)
M5, M6
(common
reflectors)
Astrometrische Fokalebene
Optisches Zentrum des
ASTRO Felds # 1
Optisches Zentrum des
ASTRO Felds #2
Gesamtgesichtsfeld:
Mechanisches Zentrum
- 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
Sternbewegung
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)
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:
Astrometr. Doppelsterne:
davon mit Bahnen:
50 Millionen (HIP: 8000)
100 Millionen (HIP: 3000)
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. ->
Example performance
distance precision to members of the Hyades cluster
Ground
Hipparcos
GAIA
Simulation of the Galactic plane
(50000 OB stars)
4000
Heliocentric y coordinate
Heliocentric y coordinate
4000
2000
0
-2000
-4000
-4000
-2000
0
2000
4000
Heliocentric x coordinate (pcs)
Photometric distances
2000
0
-2000
-4000
-4000
-2000
0
2000
4000
Heliocentric x coordinate (pcs)
Gaia distances
(Drimmel, Smart & Lattanzi, 1997)
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

vorl02-einfuehrung2