Gaia e l'astrometria di nuova
generazione:
dalle stelle al Sistema Solare
Paolo Tanga
Laboratoire Cassiopée
Observatoire de la Côte d’Azur
INRiM – 6 marzo 2008
Astrometria
Si occupa delle misure di posizione e
movimento degli astri sulla sfera celeste.
Due categorie
- « Astrometria locale » o « a piccolo campo »
- « Astrometria globale »
Molteplici implicazioni
- Tecnologiche: necessita di metodi altamente
specializzati
- Scientifiche: fornisce dati fondamentali per
l’astrofisica
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La misura del cielo: i precursori
Ipparco di Nicea (di Rodi)
~130 a.C.
Tycho Brahe, 1546-1601
Claudio Tolomeo, 100-175
INRiM – 6 marzo 2008
Parallassi e astrometria locale
La prima misura di distanza:
F.W. Bessel: 61 Cyg
Parallasse :
• 314 ± 20 mas (1838)
• 287.18 ± 1.51 (1997)
Eliometro di
Foucault, 1829
(Königsberg)
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Schema storico
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L’astrometria dallo spazio
•
HIPPARCOS: HIgh Precision PARallax COllecting Satellite –
precisione 1 mas
•
Candidati successori – precisione 0.1 mas:
ROEMER (ESA), FAME (US), DIVA (US),
LOMONOSOV (RU)
•
Missioni attuali
– Allo studio: JASMINE (JAP), OBSM (USA)
– Rinviata: SIM (USA)
– Approvata: GAIA (ESA)
Æ precisione 25 μas
1 mas = 5 cent a 1000 km
25 μas = 1 capello a 1000 km
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Gaia – la missione
•
da « Global Astrometric Interferometer for Astrophysics »
•
Lancio a fine 2011, durata: 5 anni
•
Astrometria: 109 stelle, precisione 25 μas a V~15
•
Caratterizzazione fisica:
– velocità radiali
– Spettroscopia bassa risoluzione
•
E’ una missione scientifica:
– ESA: costruzione, lancio, operazione – forte impegno industriale
– Comunità scientifica: riduzione dei dati
– La tecnologia non è la finalità della missione
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Gaia, il cammino compiuto
1994
1996/2000
7/2000
10/2000
Raccomandazione per una missione astrometrica a ~10 μas
Definizione obbiettivi e studi preliminari
Concept and Technology Study Report
Selezione come ESA Cornerstone mission (6°)
5/2002
Ariane V, σ~10 μas
Conferma selezione, revisione
7/2005
2/2006
Soyuz, σ~25 μas
Mission Requirements Document Æ Invitation To Tender
Scelta del partner industriale (Astrium)
- Phase B 6/2006
11/2006
05/2007
Formazione DPAC: Data Processing and Analysis Consortium
Pubblicazione Announcement of Opportunity
(Æcomunità scientifica)
Selezione del DPAC
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I punti forti di Gaia
•
Tre strumenti che coprono molte esigenze:
dati astrometrici,
fotometrici
spettrali
•
Copertura di tutto il cielo, ~uniforme
•
•
Nessuna selezione a priori delle sorgenti da osservare
Selezione automatica a bordo con un unico criterio: magnitudine V<20
•
60-100 osservazioni per oggetto:
– Campionamento regolare per 5 anni
– Orbite, variabilità…
•
Controllo degli effetti che incidono sulla precisione astrometrica:
– Auto-calibrazione, controllo termico, misure di monitoraggio
•
Esperienza maturata per Hipparcos, comunità fortemente motivata
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Confronto in cifre
Hipparcos
GAIA
Magnitudine limite
Completezza
12
7.3 – 9.0
20-21 mag
~20 mag
Numero di oggetti
120 000
35 milioni a V = 15
1000 milioni a V = 20
1 kpc
1 Mpc
Limite distanza effettiva
Quasars
Galassie
Accuratezza
Nessuno
Nessuno
~ 1 milliarcsec
Pianeti extrasolari
~12 – a posteriori
Sistema Solare
~50 asteroidi
5 satelliti
2 pianeti maggiori
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5 x 106
> 107
8 μ arcsec a V = 10
20 μ arcsec a V = 15
300 μ arcsec a V = 20
~20000 (5000 orbite)
2.5 x 105 asteroidi
+ satelliti, TNOs…
Distanza di esplorazione
10 kpc
Stelle di tipo solare, senza estinzione
1%
10
20%
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Il satellite
• Missione puramente ESA
• Data di lancio: fine 2011
• Durata operativa: 5 anni (+ 1)
• Lanciatore: Soyuz–Fregat da Kourou
• Orbita: L2
• Stazione di ricezione: Cerberos e/o New Norcia
• Downlink rate: 4–8 Mbps
• Massa: 2030 kg (payload 690 kg)
• Potenza: 1720 W (payload 830 W)
Figures courtesy EADS-Astrium
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Il vettore
Soyuz Fregat
Base di Kourou
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Il posizionamento in L2
•
•
•
•
Buona stabilità termica
Orbita ottimizzata per evitare le eclissi per 6 anni
Orbita di trasferimento ~1 mese
Manovre di correzione: 1 al mese
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Figure courtesy EADS-Astrium
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Banco ottico
/ telescopi
piano focale
Schermo
parasole
Motori
(chimici)
Pannelli solari
Figure courtesy EADS-Astrium
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Two SiC primary mirrors
1.45 × 0.50 m2, F = 35 m
L’ottica
Rotation axis (6 h)
106°.5
Combined
focal plane
(CCDs)
SiC toroidal
structure
Figure courtesy EADS-Astrium
M4: beam
combiner
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Il piano focale
1 pixel 60 x 180 mas
106 CCDs (4.5 x 2 kpix) = 1 Gpixel
SM1-2
BP
AF1 - 9
RP
RVS
420 mm
0.69°
WFS
WFS
BAM
BAM
sec
FOV1
0s
10.6
15.5
30.1
49.5
56.3
64.1
25.3
44.7
51.5
59.3
FOV2
0s
5.8
10.7
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sec
Il movimento di scansione del cielo
Movimento asse di rotazione
Scansione del cielo in 4 giorni
Cammino di scansione
In 4 giorni
Asse di
rotazione
Traiettoria asse di
Rotazione in 4 giorni
4 rotazioni al giorno
45°
Traiettoria del
Sole in 4 mesi
Sole
Traiettoria asse
di rotazione in
4 mesi
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Scanning law
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Principio della soluzione iterativa globale
Ampiezza scan:
Scansioni:
accuratezza max
nella direzione
di scan
Figure courtesy Michael Perryman
0.7°
1. Object matching in scan successivi
2. Attitudine e calibrazione aggiornati
3. Posizione est. nuova soluzione
4. Soluzione per termini più elevati
5. Aggiunta di altri scan
6. Iterazione
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μas – μas/yr
Precisione di misura finale
stella tipo solare
Parallasse
Posizione
Moto proprio
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Fisica stellare
ga
la
tti
ca
Si
ste
m
tel
lar
i
Exo-pianeti
Quasar & galassie
St
ru
ttu
ra
is
sic
Fi
af
d
on
am
e
tal
en
S
Sistemi di riferimento
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a
m
e
ist
re
a
l
So
Obbiettivi scientifici
•
Mappatura 3D e cinematica della Galassia:
– parallassi, posizioni, estinzione
– Moti propri, velocità radiali
•
Fisica stellare:
– Classificazione, M, L, Teff, metallicità
•
Dimensione/età dell’Universo:
– Distanze geometriche delle « candele standard » (cefeidi, RR Lyrae)
– Ammassi, distanze, luminosità
•
Sistemi di riferimento
– Quasar, astrometria assoluta
•
Pianeti extrasolari (~MJ, astrometria)
•
Fisica fondamentale (parametri relativistici PPN γ e β)
•
Sistema solare
– Proprietà dinamiche e fisiche
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La misura spettrale e fotometrica
Blue photometer:
330–680 nm
Red photometer:
640–1000 nm
Figures courtesy EADS-Astrium
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Pianeti extrasolari
1.2
Δδ
(")
Pianeta
100mas
mas,PP==18
18mois
mesi
Planète
: ρρ == 100
1/07/02
1
0.8
1/01/03
1/07/01
1/01/02
0.6
0.4
1/01/01
1/07/00
0.2
1/01/00
0
0
0.2
0.6
0.4
Δαcos δ (")
0.8
1.0
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Stelle doppie
risolte
perturb. moto proprio
astrometria
v.r. + astrometria
velocità radiali
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Distanze nell’Universo
• Candele standard
• Popolazione
primordiale della
Galassia: subnane e
globulari Æ età
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Dalle velocità radiali…
Formazione alone galattico
su un periodo di 109 yr
dall’accrezione di 50 galassie
nane.
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Deviazione relativistica della luce
L’effetto del Sole (dominante) è stato sottratto in questa immagine
Movie courtesy Jos de Bruijne
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t1
Non solo stelle…
t2
t3
t4
t5
t6
In media:
1 asteroide / 7s
Tipico:
1 asteroide / s
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t7
Gaia e il Sistema Solare…
•
Asteroidi
– Residui della formazione del Sistema?
– Alterati dalla vita collisionale
– Cintura principale: fonte dei NEO
•
Comete
– Materiale primitivo dal Sistema S. esterno
•
« Piccoli » satelliti planetari
– « regolari »
– « irregolari » (orbite retrograde)
•
Gaia NON raccoglierà osservazioni di oggetti « maggiori »
(~200 mas ?):
– Pianeti principali
– Alcuni dei più grandi asteroidi
– Grandi satelliti (Galileiani, Titano..)
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L’importanza degli asteroidi…
Le grandi incognite:
Caratteristiche basilari: densità, struttura…
Tipi spettrali (composizione)
Forme, satelliti
Distribuzione di dimensioni
Processi dinamici: origine degli Earth
Crosser, dei meteoriti
Æ Origini: vita collisionale, fisica delle
collisioni
Æ Rischio da impatto e strategie di difesa
Æ Formazione ed evoluzione del Sistema Solare
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Asteroidi: Gaia e la dinamica
• Osservazioni di posizione
dal suolo
0.1 - 1 as
singola posizione Gaia
0.1 – 1 mas
• Maggiore sensibilità a effetti sottili:
miglioramento
delle orbite (> 100)
– Perturbazioni mutue (<100 mas) …a più corpi!
• Masse di ~100 oggetti
– Effetti di forma (<0.1 x diametro)
• Differenza baricentro / fotocentro
– Forze non gravitazionali
• Emissione termica (Yarkovsky) (~0.1 mas)
• Getti cometari
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Incertezza < d per
d > 20 km
La vita collisionale: famiglie dinamiche
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Itokawa vista da Hayabusa
Si tratta di un aggregato auto-gravitante?
540 m
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Dalla fotometria alle forme…
Courtesy of Marco Delbò
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Distribuzione generale
• Gradiente di colore Æ
composizione primitiva nel
disco protoplanetario
• Altri effetti:
– Trasporto radiale
– Invecchiamento spaziale
semi-major axis (AU)
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Cosa abbiamo, cosa avremo
•
Fotometria Æ forme
periodi di rotazione
Oggi
con Gaia
~100
~1000
>10000
~20 (MBA)
?
~1500
>10000
Nuova tassonomia
•
Satelliti
•
SpettroscopiaÆComposizione
superficiale
•
Miglioramento delle orbite
Æ masse
~40, σ<60%
•
Dimensioni e albedo
~200, σ<10%
(very indirect)
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« nuove famiglie »
~1000, σ<50%
(~30, σ<10%)
~1000
I dati, la riduzione
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Il flusso di dati
Telemetria compressa 5 anni - 1.5 Mb/s
Æ 30 TB
dati pronti all’uso (x 5)
Æ 100 TB
(= 60 GB/giorno)
spazio di lavoro (x 10)
Æ 1 PB
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Quanto « pesa » il prodotto di Gaia?
•
1 GB
– 1 ora di video
•
1 TB
– Testo di tutti i libri pubblicati in un anno (1 milione)
•
CDS
– VizieR (cataloghi) = 0.5 TB
– Aladin (immagini) = 6 TB
•
20 TB
– Biblioteca del Congresso a Washington
•
25 TB
– Base di dati del Genoma Umano (3 x 109 basi)
•
3 PB
– Biblioteca del Congresso a Washington + suoni e immagini
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Quanto « costa » ridurre i dati?
• 1 sec per stella (tutti i dati) Æ 30 anni
Æ automazione, ottimizzazione
FLOP: 1019-1021
Qualche confronto:
3 x 1019 FLOP: ricerca più grande numero primo
= 232,582,657-1 (M44 - 09/06 - 9.8 milioni di cifre)
Il più grande: 1021 FLOP: progetto SETI
= risultato a 1 bit (ci ascoltano? Sì/No)
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Come ottenere questi risultati…?
•
L’ESA non finanzia la riduzione dati
•
Problema di vaste proporzioni
–
–
–
–
–
•
trasformazione dei dati grezzi in risultati astronomici
~13 anni di lavoro con traccia permanente
risultato finale garantito (validità, test, qualità…)
team inseriti in contesto europeo
nessun modello di organizzazione analogo
2003-2006: prototipo di valutazione della riduzione dati
Bando ESA: novembre 2006
Maggio 2007: Accettazione e costituzione del DPAC Data
Processing and Analysis Consortium
Æ Finanziamento tramite le agenzie di ricerca nazionali
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Organigramma generale
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…si lavora duramente!
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Fine
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