Astrometry: the foundation of Astronomy and Astrophysics

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GAIA
Pierre Angulaire du programme Horizon 2000
de l'ESA Lancement entre 2009 et 2012 Ariane 5,
lancement double Orbite L2 Soleil - Terre,
mission de 5 ans Plus d'un milliard
d'objets Magnitude limite 20 - 21
mag Complétude 20 mag Précisions attendues 
4 mas à V 12 10 mas à V 15 150 mas
à V 20 Photométrie large bande G, 4
couleurs bande moyenne 11
couleurs multi-époques
? Vitesses radiales 1-10 km/s
pour V lt 17 Observation systématique
oui Actuellement  prospective
scientifique pré-étude
technologique
2
Hipparcos
Acceptée par l'ESA en 1980Première mission
d'astrométrie spatiale Lancée par Ariane le 8
Août 1989Panne du moteur d'apogée? pas sur une
orbite géostationnaire ... Des données
scientifiques obtenues pendant 37 mois, de
Novembre 1989 à Mars 1993 sur 118 000 étoiles
pré-sélectionnées Magnitude limite 12,4
mag Complétude 7,3 - 9,0 mag Précisions
obtenues  1 - 2 mas Catalogue publié en juin
1997 Plus de 2000 publications (septembre 2000)
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Conception de la mission

• Optimisée pour obtenir
• l'origine et l'évolution d'étoiles de toutes
  masses
• un recensement complet du voisinage solaire
  (jusqu'aux naines brunes et planètes
  extra-solaires)
• la structure et l'histoire de notre
  Galaxie les relations et interactions avec
  les galaxies du Groupe Local
• ? observer de façon répétée, sans biais de
  sélection, tous les objets jusqu'à V 20
• ? balayage continu du ciel
• ? déterminer des distances à 10 près jusqu'à
  au moins 10 kpc
• des vitesses spatiales à quelques km/s
  jusqu'à 20 kpc
• les caractéristiques physiques des objets
  observés
• ? précision astrométrique de 10 ?as à V 15 ?
  astrométrie globale
• ? observation simultanée de la vitesse radiale
  et de photométrie multi-couleur
• ? instrument spectro-photométrique intégré
• De plus
• découverte systématique de tous objets
  jusqu'à V 20 (objets du système solaire et
  extragalactiques)
• nombre d'observations par étoiles beaucoup
  plus grand que le nombre de variables ? calibrat
  ion précise de tous les paramètres instrumentaux

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GAIA le satellite

• Lancement possible dès 2009 Ariane 5,
  lancement double
• Orbite de type Lissajous autour de L2 du système
  Soleil-Terre à 1.5 x 106 km
• Transfert 220 - 240 jours
• Mission 5 ans
• Balayage continu du ciel120 secondes de degré
  par secondeun grand cercle balayé en 3
  heuresaxe de rotation à 55 de la direction du
  Soleilpériode de précession 76 jours
• Télémétrie 3 Mb/s, 100 To en 5 ans
• Masse au lancement 3000 kg
• Masse de la charge utile 800 kg

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Caractéristiques de la charge utile de GAIA

• 2 instruments astrométriques identiques et
  solidaires
• miroirs 170 cm x 70 cm
• angle de base 106 degrés
• champ 0.32 degré2
• distance focale 50 m
• échelle 1? 242 mm
• pixel 9 mm le long du scan
• temps d'intégration 0.9 s par CCD
• 1 instrument spectroscopique / photométrique
• miroir 75 cm x 70 cm
• champ 4 degré2
• distance focale 4.17 m
• pixel spectroscopique 20 ? 20 mm2
• 1? ? 0.075 nm
• domaine spectral Vr 850-875 nm
• pixel photométrique 10 ? 10 mm2 0.5 ? 0.5 ?

bande passante 300 -1000 nm 4 bandes larges ltlgt
de 326 à 826 nm 11 bandes intermédiaires ltlgt de
326 à 894 nm température de fonctionnement 200 K
détecteurs CCD en mode TDI
6
GAIA la photométrie

• Système photométrique optimisé pour
  l'astrophysique
• 4 bandes larges, l centrales de 326 à 826 nm
• 11 bandes intermédiaires, l centrales de 326 à
  894 nm

Précision de quelques millièmes à quelques
centièmes de magnitude selon la
magnitude Détermination du rougissement, de la
température effective, de M/H, Ti/H, etc.
7
GAIA la spectroscopie

• Spectre 850-870 nm, autour du triplet du calcium
  ionisé
• 0.75 Å / pixel
• 1 pixel 1 seconde d'arc 20 x 20 µm
• Vitesses radialesjusqu'à la magnitude V 16-17,
  précisions de 1 à 10 km/s
• Au cours des 5 années de mission, environ 150
  observations par étoile.
• Détermination de la température effective, de
  l'abondance en métaux, de l'extinction, selon
  les types spectraux

Spectres synthétiques, calculés pour Teff 5500
K, log g 4.5, V 14 mag. En haut une seule
observation. En bas 100 observations
additionnées.
8
Hipparcos
Gaia

• Nombre d'objets 118 000
• Magnitude limite V 12.4Complétude 7.3 - 9.0
• Précision astrométrique
  1 - 2 mas
• Des distances à mieux que 10 ? 220
  pc, pour 21 000 ?
• Petits corps du système solaire 48
  astéroïdes 3 satellites
• Planètes extra-solaires astrométrie
  photométrie
  1
• Galaxies Supernovae Quasars
  
• Photométrie large bande
  Hp, VT, BT bande moyenne
  non multi-époques ?
• Vitesses radiales non
• Observation systématique non

• gt 1 milliard
• 20 - 21 20
• 4 mas pour V 1010 mas pour V 15150 mas pour
  V 20
• ? 27 000 pc, pour 220 millions d'?
• 105 à 106 (nouveaux) objets
• 10 à 50 000 planètes1 milliard d'objets testés
• 106 à 1071055 x 105
• G, 4 couleurs11 couleurs?
• 1-10 km/s pour V lt 17
• oui

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Calibration des luminosités

• 220 millions d'étoiles observées avec sp / p
  10 jusqu'à 27 kpc, toutes populations ?
  brillantes du LMC
• (zones sans absorption)
• MV Type Vlimite dlimite limite
• mag pc
• - 5 O V 12.2 27 000 B0-G0 Ib
  Ia Ia0
• 0 A0 V 15.0 10 000 K3 III 15.2 11 000
• 5 G5 V 17.6 3300
• 10 M2 V 20.3 1150 DB 19.7 870
• 15 M7 V 22.5 320 15 DG 21.3 180
• 17 M8 V 23.1 170
• 20 naines 24.5 80 brunes

• Contribution de l'erreur sur la distance à
  l'erreur sur Mv pour V 15 et 1 kpc 0.02 mag

par la distance
par G 21
10
La Galaxie vue par Gaia
11
La Galaxie  structure, dynamique, historique
Le voisinage du Soleilinventaire complet de
tous les objets présents dans une sphère de 80 à
100 pc distances à mieux que 10 , même pour
les plus faibles, beaucoup mieux pour les
autresdétection de la présence de compagnons de
toutes sortesprécision d'Hipparcos dans 25 pc
jusqu'à 10 kpc pour V 15, 4 kpc pour V
18données photométriques et spectroscopiques
complémentaires Observation de toutes les
populations d étoiles, dans toutes les parties
de Galaxie (disque (plat, mince, épais, bras
spiraux, Ceinture de Gould, warp, amas ouverts,
associations), bulbe (barre, bulbe, reliquat
d une rencontre ?), halo (étoiles, amas
globulaires, galaxies naines sphéroïdales) 6
composantes de l'espace des phases
spectrophotométrie ? caractérisation de toutes
les populations Orbites ? distribution de la
masse dans les différentes parties de la
Galaxie Distribution spatiale mouvements ?
zones de formation d'étoiles, signatures de
rencontres ? Distribution en âge ? évolution
du taux de formation dans différentes parties de
la Galaxie Distribution des abondances chimiques
? évolution chimique de la Galaxie
? Formation et
évolution de la Galaxie
12
Les bras spiraux vus par GaiaSurvey synthétique
de 50 000 étoiles OB

• distances photométriques distances Gaia
• Drimmel, Smart Lattanzi, 1997

13
Les Hyades vues par les parallaxes
Gaia
sol
Hipparcos
14
Physique, formation et évolution des étoiles

• Détermination de paramètres fondamentaux
• luminosité absolue, diamètre linéaire pour tous
  types spectraux
• masses, transfert de masse, perte de
  masse et
• Teff , abondances classes de luminosité
• Structure fine du diagramme HR
• position et forme de toutes les séquences selon
  abondances, v sin i, activité, etc.
• position et taille de la zone dinstabilité
• détection et caractérisation des phases
  d'évolution les plus rapides
• Confrontation avec les modèles (structure interne
  et évolution stellaire)
• position des séquences --gt âge ( 10)
• position de la séquence principale
  Fe/H --gt abondance en Hélium
• pente de la séquence principale --gt longueur
  de mélange
• étoiles variables trajets évolutifs
  sismologie --gt taille du cur convectif
• Formation stellaire
• dynamique des régions de formation
• fonctions de luminosité et de masse des étoiles
  pré-séquence principale

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Systèmes planétaires extra-solaires et naines
brunes
Planètes extra-solaires Détection astrométrique
de grosses Terres (10 ? MT) jusqu'à 10
pc Détection astrométrique de Jupiters 
systématique autour des étoiles lt 50 pc, avec
des périodes de 1.5 à 9 annéespartielle jusqu'à
2-300 pc, l'intervalle de périodes décroissant
avec la distance Paramètres orbitaux à mieux que
30 pour au moins 50 des planètes Détection
photométrique des transits  efficacité
indépendante de la distance, 60 à 300 mesures
par étoile, échantillonnage irrégulier, précision
par transit mieux que 0.005 mag pour V lt 14, 0.01
pour V 18, 0.05 pour V 20 Naines
brunes Naines brunes isolées  recensement complet
? 100 pc, les plus jeunes ? 1 kpcNaines
brunes dans des systèmes  distribution des
masses, P de 1 - 30 années
16
Système solaire
Observations systématiques pour V lt 20 vitesse
lt 40 mas/s, depuis Vénus jusqu'à la ceinture
de Kuiper (0.7 à 30 u.a.) ? 105 à 106
astéroïdes (65 000 connus actuellement) Masses
précises pour gt une centaine d'astéroïdesDiamètre
de ? 1000 astéroïdes forme des plus
grosDétection de satellites d'astéroïdes,
d'astéroïdes binaires Données de base pour
l'étude de l'origine et de
l'évolution du système solaire Recensement
mouvements des étoiles du voisinage solaire ?
? perturbations du nuage de Oort ? Near Earth
Objects ? 1600 de gt 1km sont prédits, 100 sont
connusDétection par Gaia 260 - 590 m jusqu'à 1
u.a. selon l'albédo
17
Echelle des distances et des âges
calibration des magnitudes absolues de tous les
étalons et des effets de couleurs et de
métallicité (Céphéïdes, RR lyrae, Mirae, amas
globulaires) détermination directe de distances
individuelles pour les étoiles les plus
brillantes des galaxies voisines (premiers tests
hors de notre Galaxie) ? distances moyennes de
diverses zones de celles-ci avec sp/p lt 1
pour Sagittarius, lt 1 à 5 pour LMC, lt 2 à 8
pour SMC ? âges des plus vieux objets de notre
Galaxie constante de Hubble, contraintes
cosmologiques
Observations d'étoiles individuelles hors de la
Galaxie
Nuages de Magellan  quelques millions détoiles
observables Autres galaxies du Groupe Local 
discrimination d'avec les ? de la Galaxie,
cinématique (warps, parallaxes de rotation),
dynamique du Groupe Local
18
Galaxies extérieures
? Survey photométrique de gt 106 galaxies
séparation étoile / galaxie par la parallaxe,
le mouvement propre, la photométrie résolution
spatiale 0.30 " ? détection de 100 000
supernovae, jusqu'à 500 Mpc (z 0.1) ?
structure photométrique des régions centrales de
quelques 104 galaxies ? 5 106 quasars jusqu'à
I 20, latitudes hautes et intermédiaires
photométrie multi-couleur, redshifts à dz
0.01 ou mieux, jusqu'à z 5 ? noyaux actifs de
galaxies variations de luminosité et mouvements
du photocentre
19
Systèmes et repères de référence
Observations 25 000 étoiles / degré2 107
quasars Réalisation directe de l'ICRS dans le
visible par l'observation de gt 200 000 quasars
bien identifiés par les mesures astrométriques
et photométriques, avec z lt 2.2 et ?b? gt 20 ?
spin résiduel lt 0.4 mas/an (même avec une
contribution de 100 mas/an à l'erreur standard
par objet et par composante du mouvement propre
venant de l'instabilité des quasars) Matérialisati
on du système dynamique par ? 106 objets du
système solaire ? rms ? 1 mas/an
20
Physique fondamentale  relativité générale
Déflexion des rayons lumineux par le Soleil et
les plus grosses planètes très nombreuses
observations, beaucoup plus précises, angle
minimum au Soleil 35)
? paramètre g à 5 x 10-7 actuellement
2 ? 10-4 (?g - 1? ? 10-7 à 10-5 selon les
théories) Facteur de précession du périhélie des
astéroïdes à 10-4 à 10-5 Moment quadrupolaire
du Soleil J2 à 10-7 - 10-8 Variation séculaire
de la constante de la gravitation à 10-12 -
10-13 année-1(recensement des naines blanches
les plus faibles) Ondes gravitationnelles 10-12
lt f lt 10-9 Hz Microlensing ? 1000 évènements
photométriques, quelques astrométriques
21
Les différentes missions d'astrométrie
spatiale(acceptées ou en phase de définition)

• Mission Agence Lancement Nombre Magnitude
  Précision Photométrie
  Vr d'étoiles limite
• (mas) pour mag
• Hipparcos ESA 1989 118 000 12.4 1 10 3
  bandes -
• DIVA D 2003 30 106 15 0.2 9 1
  bande - 5 15 spectrophot.
• FAME USNO 2004 40 106 15 0.050 9
  4 bandes - NASA 0.3 15 (Sloan)
• SIM NASA 2009 20 000 20 0.001-4 20 1
  bande -
• GAIA ESA 2009 ? gt 109 20 0.003 12 11
  bandes ? 0.010 15 0.200 20

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Distances maximales atteintes avec sp / p lt 1 et
10 Hipparcos, Diva, Fame, Sim, Gaia
23
Participation française à Gaia

• Instituts
• CERGA (UMR 6527), DASGAL (UMR 8633), IMCCE (EP
  1825), Observatoire de Strasbourg (UMR 7550),
  GRAAL (UMR 5024)
• Participation aux groupes de travail
• Science Advisory Group F. Mignard Science
  Working Group J. Laskar, Y. Lebreton, C. Turon
• Photometry Working Group A. Gómez, M.
  Spite Instrument Working Group F. Arenou, A.
  Bijaoui, M. Crézé
• Members at large et autres participants A.
  Baglin, O. Bienaymé, D. Egret, M. Froeschlé, J.L.
  Halbwachs, D. Hestroffer, J. Kovalevsky, S.
  Loiseau, M.O. Mennessier, N. Robichon, C.
  Babusiaux, R. Cayrel, M. Haywood, D. Katz, G.
  Theureau
• Participations essentielles (jusqu'à maintenant)
• prospective scientifique (Cerga, Paris-Meudon)
• algorithmes de compression des données et
  optimisation des paramètres de balayage du ciel
  (Cerga)
• algorithmes de détection, simulations d'images
  et de champs encombrés, simulations des
  observations spectroscopiques et des
  déterminations de vitesses radiales,
  observabilité des petits corps du système
  solaire, gestion du flux de données du satellite,
  structuration des données et du traitement
  scientifique (Paris-Meudon)
• gestion des très grands catalogues (Strasbourg)
  
• Projets en cours et à court terme (hors études
  plus détaillées des points ci-dessus)
• organisation d'une session de l'Ecole des
  Houches, 13-18 mai 2001 (Strasbourg,
  Paris-Meudon)
• observabilité des NEOs (Cerga, Paris-Meudon),
  observabilité des exo-planètes et des galaxies
  lointaines (Paris-Meudon)
• observabilité des étoiles variables à grande
  amplitude (Montpellier)
• Industrie
• Matra Marconi Space (Toulouse)
• Alcatel Space

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Références sur Gaia

• Publications de l'ESA
• Concept and Technology Study
  Report ESA-SCI(2000)4, juillet 2000
• Executive Summary même référence
• Brochure BR-163, août 2000
• Ateliers, Workshops et Colloques
• de Grasse (F), juin 1999 Atelier GAIA (en
  français), éditeurs M. Froeschlé et F. Mignard
• de Leiden (NL), novembre 1998 Gaia
  Workshop. Environ un tiers des présentations
  ont été publiées dans Baltic Astronomy, Vol. 8,
  1999, éditeur V. Straizys
• Venise (I), mai 1997 Hipparcos Venice'97
  Symposium, sessions 11 et 12. ESA
  SP-402, éditeurs P.L. Bernacca et M.A.C.
  Perryman
• Cambridge (UK), 1995 Future Possibilities
  for Astronomy in Space, A Joint RGO-ESA
  Workshop, ESA SP-379, éditeurs F. van Leeuwen
  M.A.C. Perryman
• Sites sur la Toile
• http//astro.estec.esa.nl/GAIA/index.html (en
  anglais)
• http//wwwhip.obspm.fr/gaia/ (en français)