Die Vermessung der Milchstraße: Hipparcos, Gaia, SIM

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

2. 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

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 !

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

8. 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

11. Mission und Messprinzip

20. Die Bedeutung der zwei Gesichtsfelder

24. Lokale Astrometrie und globale Astrometrie (relative) (absolute)

25. Lokale Astrometrie (relative Astrometrie)

26. Globale Astrometrie (absolute Astrometrie)

27. Datenauswertung, Grundideen

30. 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 nmüber einige Sekunden

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

35. 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

36. Nun aber zur Zukunft, zu Gaia !

37. 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

39. Gaia:Vollständigkeit, Empfindlichkeit,Genauigkeit Und das alles für praktisch den gleichen Preis wie Hipparcos ! 3

41. Wie soll diese Wundermaschineaussehen und funktionieren?Grundprinzipien: Genau wie HipparcosTechnik: Völlig andersErfahrungen aus Hipparcos, dazu 20 Jahreallgemeinen technischen Fortschritts, undnatürlich eine Menge guter Ideen im Detail.

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

44. 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

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

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

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

48. Astrometric instrument

49. 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

50. 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)