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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 1
La Mission GAIALa Mission GAIA
Objectifs, description, organisationObjectifs, description, organisation
--------
F. MignardF. Mignard
OCA/CassiopéeOCA/Cassiopée
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 2
Sommaire
■ Rappel du projet
objectifs & performances
instruments et observations
statut du projet & calendrier
■ Traitement des données
le défi
l'organisation
■ Gaia en France et à l'OCA
3
I- Le Projet
Objectifs et performances
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 4
Qu'est ce que l'astrométrie ?
■ L'astrométrie s'occupe de la mesure de la
position et des mouvements des astres sur
la sphère céleste. On distingue :
L'astrométrie globale ou astrométrie à grand
champ
l'astrométrie locale ou astrométrie à petit
champ
■ L'astrométrie utilise des moyens
d'observation et des méthodes d'analyse
spécifiques
■ Science fondamentale pour toute
l'astrophysique.
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 5
La renaissance de l'astrométrie
1 mas
1 µas10
100
10
100
1 as
10
100
1000Hipparchus
1 µas10
100
1 mas
10
100
1 as
10
100
1000
1400 1500 1700 1900 2000 21000 1600 1800
Ulugh Beg
Wilhelm IVTycho Brahe
HeveliusFlamsteed
Bradley-Bessel
FK5
Hipparcos
GAIASIM
1400 1500 1700 1900 2000 21000 1600 1800
ICRF
GCNaked eyetelescopes
2000 yrs - 4.5 dex
20
yrs
4.5
dex
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 6
Produits directs
• Positions, parallaxes et mouvements propres d'un grand nombre d'étoiles
1 mas (Hipparcos) to 1 µas (SIM)
• Photométrie à la mmag, multi-époque, plusieurs bandes
50 to 400 observations
• Vitesse radiale à qq km/s (GAIA)
• Spectrophotométrie dans le visible, proche IR ou UV
• Objets du système solaire( Hipparcos, DIVA, GAIA)
• Détection, mesures des binaires visuelles et spectroscopiques
Objectifs scientifiques finaux : Physique stellaire et galactique
L'Astrométrie pour l'Astrophysique
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 7
Gaia : Le Contexte
• Les candidats (malheureux) :
ROEMER, FAME_1, FAME_2, DIVA, LOMONOSSOV, AMEX
ESA US US DE RU US
Précision 0.1 mas ~ 1 clou à 1000 km
• Etude préliminaire : JASMINE (JAP), OBSM(USA)
• Mission repoussée : SIM (US)
• Mission approuvée : GAIA (ESA)
• Précision 25 µas ~ 1 cheveu à 1000 km
• Le précurseur : HIPPARCOS (ESA)
Précision 1 mas ~ 5 c à 1000 km
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 8
• 109 étoiles
• 25 µas @ V = 15 mag
• Photométrie ( ~ 25 bandes)
• Vitesse radiale
• Spectro basse résolution
Mission ESA
Lancement : 2012
Mission : 5 ans
G A I A
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 9
Systèmes stellaires
Systèmes Référence
Physique fondamentale
Structu
re ga
lactiq
ue
Systèm
e sola
ire
Physique stellaire
Qua
sars
& g
alax
ies
Exo-planètes
La Science avec Gaia
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 10
Exploration en distance pour une étoile G0V (sans extinction)
Système solaire
10 k
pc
Credit: ESA/NASA/CFHT/NOAO
1%2 5 10 20%
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 11
Les étapes de la mission
■ 1994 Recommandation pour une mission astrométrique avec une précision
de 10µas
■ 1996/2000 Pré-études et objectifs scientifiques
■ 07/2000 Concept and Technology Study Report
■ 10/2000 Sélection ESA comme Pierre Angulaire 6,
Ariane V, = 10 µas
■ 01-05/02 Version révisée et allégée; sélection confirmée (SPC)
Soyuz, = 15 µas (puis 24 µas en 2004)
■ 07/2005 Publication du MRD (Mission Requirement Document)
■ 07/2005 Emission de l'ITT (Invitation to tender)
■ 02/2006 Choix de Astrium Phase B
■ 06/2006 Formation du DPAC (Data Processing and Analysis Consortium)
■ 11/2006 Emission de l'AO (Announcement of opportunity)
■ 05/2007 Sélection du DPAC
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 12
Atouts de Gaia
■ Une mission unique avec trois instruments
Données astrométriques, photométriques et spectroscopiques
■ Couverture largement uniforme du ciel
■ Échantillonnage régulier sur cinq ans
~ 100 observations analyse photométrique, orbites doubles et
astéroïdes
■ Mission de relevé sans sélection autre que la magnitude
■ Système de détection interne et autonome
■ Astrométrie globale d'extrême précision
métrologie interne, auto-calibration, contrôle thermique
■ Communauté scientifique expérimentée (Hipparcos) et motivée
support scientifique et industriel
13
I- Le Projet
l'instrument et les observations
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 14
Panneaux solaires
Ø ~ 10 m
Télescopes
Plan focal
L’instrument
Couverture
thermique
Module de
propulsion
Antenne (1 Mbit/s)
Module de
Propulsion (chimique)
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 15
• 2 telescopes à optique hors-axe• 1.45 x 0.5 m2 d'ouverture• 35 m de distance focale
• plan focal unique• 106 CCDs• 1 Gigapixel• 0.93 x 0.42 m2
Gaia : télescopes et détecteur
106.5 deg
M4M'4
Recombinaison des faisceaux
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 16
SM1-2 AF1 - 9 BP
420 mm0.69°
RP
RVS
BAM
BAM
WFS
WFS
0s 10.6 15.5 49.5 56.3 64.130.1
0s 5.8 10.7 44.7 51.5 59.325.3
sec
secFOV1
FOV2
930 mm
Plan Focal
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 17
S/C principales caractéristiques
■ S/C masse au lacncement : 2 t■ Puissance disponible : 2 kW■ S/C hauteur : 3 m■ Diamètre bouclier : ø = 10 m■ Charge utile■ - pupille d'entrée : 1.45 x 0.5 m■ - focale : 30 m■ - plan focal : ~ 1 G pixels
bouclier thermique de 10m ø
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 18
soleil
Axe de rotation
Trajet de l'axe de rotation sur 4 mois
4 rev/jour
Trajet du soleilsur 4 mois
45°
Mouvement de l'axe de rotation
Gaia : Balayage
Trajet de la direction devisée sur 4 jours
Trajet de l'axe de rotation sur 4 jours
Ciel balayé sur quatre jours
(diagrammes L. Lindegren)
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 19
Sun
Spin-axis
Animation : L. Lindegren
Scan circles
Balayage du Ciel : 2 mois
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 20
Soyuz/Fregat lancement depuis Kourou
~1 moisOrbite de transfert vers L2
Orbite de Lissajous autour de L2
~1 correction d'orbite par mois
5 - 6 ans d'observation(presque) continue
Gaia lancement et orbite(credit: EADS Astrium)
Barycentre Terre-Lune, a = 1 ua
L2, a = 1.01 ua
Ligne Soleil-T
erre
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 21
Les opérations de la mission
■ Lancement à la date t0
■ Transfert à poste à L2 : t0 + 1-2 mois
■ Observations en continu pendant 5 ans avec en moyenne :
80 observations astrométriques ( x 9 CCDs)
80 observations photométriques
50 observations spectroscopiques (x 3 CCDs)
■ Détection des sources à bord avec les sky-mappers
■ Sélection jusqu'à V = 20
■ Transmission des données ~ 8h par jour à Cebreros
+ antenne à New Norcia (Australie) lors de l'observation du plan
galactique
■ Astrométrie et photométrie pour 109 sources
■ Spectroscopie pour 200 millions de sources
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 22
Précisions astrométriques attendues
Erreurs moyennées sur le ciel pour les étoiles G0V (étoiles simples, pas d'extinction)
Notes:
Estimations calculées avec le Gaia Accuracy Tool ( J. de Bruijne, ESA)
Effets des dommages dus aux rayonnements sur les CCDs non complètement pris en compte
Les estimations incluent une marge de 20% (facteur 1.2) pour les erreurs non modélisées
V magnitude 6 - 13 14 15 16 17 18 19 20 mag
Parallaxe 8 13 21 34 55 90 155 275 as
Mouvement propre 5 7 11 18 30 50 80 145 as / an
Position @2015 6 10 16 25 40 70 115 205 as
23
II- Les Données et le traitement
le défi
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 24
Types de données
■ Trois instrument fournissant trois flots de données
Données astrométriques des CCD du champ principal
Données photométriques des deux photomètres (BP, RP)
Données spectroscopiques
■ Toutes les données arrivent sous forme de paquets de
télémétrie
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 25
Volume de données : estimation rapide
■ Télémétrie compressée
5 ans, 1.5 Mb/s = 250 Tb = 30 TB
■ Données directement accessibles
x ~ 5 = 100 TB (65 : SM + AF + phot,
35 : RVS)
■ Espace de travail
x ~ 5 – 10 = ~ 1 PB
Moyenne Typique Max19,000 110,000 2.3x106
Nombre d'images par seconde
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 26
Comparaison
1 GB
- 1 heure de vidéo
1 TB Texte de tous les livres publiés par an (1 million)
CDS : VizieR (Catalogues) = 0.5 TB Aladin (images) = 6 TB flux = 4 GB/days
20 TB La bibliothèque du Congrès à Washington (texte 20 millions
ouvrages)
25 TB Base de données du Génome Humain (pour 3x109 bases!)
3 PB Bibliothèque du Congrès avec illustrations et sons
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 27
Traitement de données : volume des calculs
Quelques valeurs pour GAIA■ 1s par étoiles (astrométrie, photométrie spectro) = 30 ans !
■ 1 jour d’ observation dans les zones les plus denses : 630 jours pour installer
dans la base
■ Transformée de Fourier brute de toutes les variables : 30 ans sur un PC !
■ FLOPs: ~1019 to 1021
Autres calculs complexes ■ 3x10 19 FLOPs. : Calcul pour la recherche du plus grand nombre premier
- 232,582,657 -1 (M44 09/06, 9.8 millions de chiffres)
■ > 10 20 FLOPs. : Calcul pour la recherche des 200x 106 zeros de (s)
- > 20000 PCs distribués
■ 1021 FLOPs. : plus gros calcul fait à ce jour (Projet SETI)
Résultat : 1 bit ( OUI ou NON ils nous écoutent !)
28
II- Les Données et le traitement
Organisation du traitement
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 29
Etapes nécessaires du traitement
■ Traitement global : Réception des données, calibration, attitude, système (AGIS)Mise à jour de la base de données, stockage
■ Données scientifiques : Traitement général par objet
solution astrométrique des étoiles secondaires photométrie, analyse des variables analyse des données RVS
Objets particuliers étoiles doubles et multiples galaxies non résolus quasars objets du système solaire
Analyse scientifique globale
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 30
Structure d'ensemble du traitement de données
Spectroscopie
Photométrie
Etoiles secondaires
CaractérisationastrophysiqueL, Teff, Fe/H ..
Systèmes multiples
Variabilité
Système solaire
Exo-planètes
Itérations
Catalogue intermédiaire
Attitude de bordIdentif. sources
données CCD
Param. d'image PSF/LSF
Solution astrométrique
Formulation relativiste
Système de référence/QSOs
Modèle de rotation gal.
SolutionAstrométrique
itérativeAstrométrie
AttitudeCalibration Meilleurs param.instrumentaux
Données orbitales
Vitesse radiale
Éphémérides SS
First Look
Quotidien
~ 6 mois
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 31
Traitement de données
■ Le traitement de données est très largement à la charge de la
communauté
le projet finance :
le satellite, le lancement, les opérations,
réception et archivages des données
le traitement initial et l'astrométrie 'core'
ESA ne finance pas l'analyse scientifique
Financement à trouver auprès des agences nationales Consortium
Européen
■ Un prototype de traitement de données a été développé en 2003-
2006
objectif : évaluer la faisabilité des approches actuelles
aborde : le système, le matériel, la base de données, les accès
définition des algorithmes, intégration et tests
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 32
Formation du DPAC
■ L' ESA a émis un appel d'offre vers la communauté
publié en novembre 2006
il ne concerne que le traitement de données
■ Un consortium s'est formé dans le but de répondre
DPAC = Data Processing & Analysis Consortium
Il doit transformer les données brutes en résultats astronomiques
production d'un catalogue astrométrique, photométrique et spectroscopique
sur les étoiles, les objets du SS, les quasars
Officiellement sélectionné par le Comité des Programmes
Scientifiques de l'ESA en mai 2007
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 33
La mission et le DPAC
Télémétrie
positionPMparallaxesVitesse radialemagnitudevariabilitéorbites, masses
Teff , log g …
……
Résultats finauxTraitement de données
Acquisition des données
DPAC
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 34
Qu'est ce que le DPAC
■ Group transnational structuré pour préparer et exécuter le DP
■ Ce groupe a répondu à l'appel d'offre de l'ESA
il doit être en mesure de fonctionner pendant ~ 13 années
■ Ce groupe doit avoir une visibilité :
pour le projet en général (ESA, science program, AWG/SPC)
nationalement pour les financements et les postes
au niveau européen pour les programmes post-doctoraux
■ C'est un élément de visibilité du projet au niveau international
■ le DPAC doit avoir sa propre organisation et ses ressources
pour assurer le traitement dans son intégralité
■ Les spécifications sont données dans l'AO
■ Le DPAC fait une proposition à l'ESA
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 35
Responsabilités du DPAC
■ Préparation de l'analyse des données
choix de la structure générale
définition et programmation des algorithmes
■ Production de données simulées pour assister :
la conception de l'ensemble
le développement des méthodes
les tests à toutes les échelles
■ Conception, développement et mise en place de la chaine de
traitement
gestion des flots de données entre les groupes
test et intégration des logiciels
acquisition, maintenance et mise en place du matériel (H/W)
production des données intermédiaires et finales
Contrôle qualité, documentation, interfaces
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 36
Membres du DPAC
■ En juillet 2007 : 330 membres ~ 180 FTE
■ 16 pays représentés
■ Essentiellement postes stables dans le monde universitaire
Les contributeurs les plus importants
fr it de be uk es ch gr esac
82 62 28 23 26 21 13 9 14
Distribution sur les CUs
CU1 CU2 CU3 CU4 CU5 CU6 CU7 CU8 total
34 67 69 58 55 50 46 64 443
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 37
Les Instituts Participants
> 20 personnes
15 – 20
11 – 14
8 – 10
5 – 7
3 – 4
1 – 2
DPC
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 38
Le DPAC dans la structure mission
Industriel
ESA Project Manager/Team
ESA Project Scientist
Sous-traitants
AgencesNationales
Gaia Science Team
Data Processing
European Space Agency
Research Training Network 2006-2010
Communauté Scientifique
”Gaia People Finder” recense environ 500 personnes (excluant l'industrie)
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 39
Organigramme général
■ Pas de relation simple : une CU un DPC
Gaia Science Team Gaia Project Scientist
Gaia Project Team
DPACE
CU1
Architecturedu système
CU2
Simulation
CU3
Traitementcentral
CU4
Objetscomplexes
CU5
Traitementphotométrique
CU6
Traitementspectroscopique
CU7
Traitementdes variables
CU8
Paramètresastrophysiques
DPCESAC
DPCBarcelone
DPCTurin
DPCCambridge
DPCGenève
DPCCNES
Centres de traitement des données
Unités de Coordination
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 40
Aujourd'hui
Gaia – Etat du projet et calendrier
PropositionConcept & Etude Technologique
Selection de la Mission
Phase de réévaluation
Phase B1
Sélection de l'industriel (EADS Astrium)
Phase B2Phase C/D
Opéeration Scientifique
Lancement 2011-Dec-01
Final
Etudes
Développement des logiciels
Traitement des données de la Mission
Implémentation
Traitement des données
Définition
Opération
1995
2000
2005
2010
2015
2020
1994
1993
1997
1998
1999
2019
2018
2017
2016
2014
2013
2012
2011
2009
2008
2007
2006
2004
2003
2002
2001
1996
Produits de la MissionIntermédiaire
41
III- Gaia en France et à l'OCA
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 42
Implication des équipes Françaises
■ Equipes scientifiques :
3 pôles :
Observatoire de Paris (GEPI, IMCCE, SYRTE, LESIA)
Observatoire de la Côte d'Azur (Cassiopée)
CNES/CST
Autres centres
Observatoires de Besançon, Bordeaux, Montpellier, Strasbourg
IAP
75 membres du DPAC, 25% de l'effectif
■ Thèmes
Management général (3 membres au GST, 3 DPACE, présidence)
Simulation, instrument et analyse spectro, objets du système
solaire
Système de référence, étoiles variables, tests relativistes, binaires
Données auxiliaires (stellaires, physique, éphémérides)
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 43
Gaia à l'OCA
■ Expérience importante acquise avec Hipparcos
■ Nombreuses compétences en :
physique stellaire, spectroscopie
systèmes de référence
physique et dynamique du système solaire
algorithmique et traitement des données
■ Activités et responsabilités dans les groupes de travail
■ Responsabilités à divers niveaux dans le DPAC
■ Groupe principal dans Cassiopée
présence également au LUAN (FIZEAU) et dans GEMINI
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 44
Groupe Gaia de Cassiopée
■ Groupe transversal en 2004■ Equipe formée en 2005■ Equipe en 2008 (avec des doubles appartenances et
support)
Etudiants& Post-docs
A. Bijaoui L. Brand P. de Laverny M. Delbo L. Bigot J.C. MauduitF. Martel (S. Mouret)F. Mignard A. Morbidelli SupportC. Ordenovic R. HollandeB. Pichon S. GolettoS. Rousset A. Minuissi A. Recio-Blanco E. SlezakP. TangaF. Thévenin
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 45
Activités de l'équipe
■ Préparation à GaiaOrganisation de la mission et coordination DPACNœud 'NICE' du réseau Européen ELSA Responsabilité de la participation Française
Paramètres stellairesObjets du système solaireModélisation astrométrique, échelle de temps, éphéméridesSystème de référenceTests de la relativité Imagerie à petit champsEtoiles variables
■ RechercheAtmosphères stellairesPhysique stellaire et galactiquePlanétologie
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 46
Fin
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 47
Gaia : résumé des objectifs
■ Gaia est avant tout une mission scientifique
Astrométrie pour 109 étoiles, précision de 25 µas V =15
Position, PM, parallaxes
Binaires visuelles et astrométriques
Objets du système solaire
Multi-couleurs, ~ 80 époques ; relevés photométriques pour toutes
les sources
Vr et spectre pour les sources V < 16.5
■ Mission de l'ESA avec la communauté astronomique Européenne
ESA pour la construction, le lancement et les opérations
La communauté scientifique et l'ESAC pour le traitement des données
Cela implique une importante activité de génie industriel
mais le génie industriel est un outil et non un objectif
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 48
Organisation du traitement
■ Le traitement nécessite des expertises spécifiques et un fort engagement :
Analyse globale d'un projet complexe
besoin de développeurs S/W professionnels
contrôle qualité indispensable
engagement des équipes sur ~ 10 à 15 ans
capacité à travailler dans un environnent très contraint
■ L'organisation type n'existe pas Ce n'est plus le même type d'activité que dans les WG
le niveau de coordination est sans commune mesure
l'analyse scientifique n'est pas la première tâche du DP
les responsabilités doivent être claires et hiérarchisées
■ Mise en commun des efforts et des ressources dans un consortium
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 49
Fonctionnement du TDI
Animation : J. Portell
■ Les charges sont déplacées le long d'une colonne de pixels
■ Le transfert est synchronisé avec la rotation du satellite
■ Nombre d'étoiles entrantes par seconde : de 100 à 30000
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 50
Les étapes de la mission
■ 1994 Recommandation pour une mission astrométrique
interférométrique avec une précision de 10µas
■ 1996/2000 Pré-études et objectifs scientifiques
■ 07/2000 Concept and Technology Study Report
■ 10/2000 Sélection ESA comme Pierre Angulaire 6,
Ariane V, = 10 µas
■ 01-05/02 Version révisée et allégée; sélection confirmée
(SPC)
Soyuz, = 15 µas
■ 2004 Second descoping
100 CCDs, = 20 µas (24 µas in MRD avec marges)
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 51
Les étapes de la mission
■ 2001-05 Definition studies ( Alenia- Alcatel, Astrium)
+ 10 technology development contracts
■ 01/2005 Emission de la Lettre d'Intention
■ 04/2005 Création du DACC (Data Analysis Coordination Committee)
■ 07/2005 Publication du MRD (Mission Requirement Document)
■ 07/2005 Emission de l'ITT (Invitation to tender)
■ 02/2006 Choix de Astrium Phase B
■ 06/2006 Formation du DPAC (Data Processing and Analysis
Consortium)
■ 11/2006 Emission de l'AO (Announcement of opportunity)
■ 12/2006 Réponse du DPAC à l'ESA
■ 05/2007 Sélection du DPAC
Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 52
The Soyouz family
Lancement 2011Lancement 2011
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