GAI A - Observatoire de la Côte d`Azur
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La Mission GAIA Objectifs, description, organisation ---- F. Mignard OCA/Cassiopée Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 1 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 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 2 I- Le Projet Objectifs et performances 3 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 4 La renaissance de l'astrométrie 0 1400 Hipparchus 1000 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 Ulugh Beg 1000 Tycho Brahe 2000IVyrs - 4.5Hevelius dex Wilhelm 100 100 Flamsteed 10 Bradley-Bessel 1 as Naked eye 100 telescopes 10 GC FK5 Hipparcos 1 mas 100 10 1 as 100 20 10 yrsICRF 1 mas 4.5 100 GAIA 10 1 µas dex SIM 10 1 µas 0 1400 1500 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 1600 1700 1800 1900 2000 2100 5 L'Astrométrie pour l'Astrophysique 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 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 6 Gaia : Le Contexte • Le précurseur : HIPPARCOS (ESA) Précision 1 mas ~ 5 c à 1000 km • 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 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 7 GAIA • 109 étoiles • 25 µas @ V = 15 mag Mission ESA Lancement : 2012 Mission : 5 ans Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard • Photométrie ( ~ 25 bandes) • Vitesse radiale • Spectro basse résolution 8 La Science avec Gaia Exo-planètes Quasars & galaxies Physique stellaire Systèmes Référence Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 9 10 kpc Exploration en distance pour une étoile G0V (sans extinction) 2 5 10 20% 1% Système solaire Credit: ESA/NASA/CFHT/NOAO Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 10 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, 01-05/02 Soyuz, s = 10 µas Version révisée et allégée; sélection confirmée (SPC) s = 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 11 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 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 12 I- Le Projet l'instrument et les observations 13 L’instrument Couverture thermique Panneaux solaires Ø ~ 10 m Télescopes Plan focal Module de Propulsion propulsion (chimique) Antenne (1 Mbit/s) Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 14 Gaia : télescopes et détecteur • 2 telescopes à optique hors-axe • 1.45 x 0.5 m2 d'ouverture • 35 m de distance focale M4M'4 Recombinaison des faisceaux Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard • plan focal unique • 106 CCDs • 1 Gigapixel • 0.93 x 0.42 m2 15 Plan Focal SM1-2 BP AF1 - 9 RP RVS 420 mm 0.69° WFS WFS BAM BAM 930 mm sec FOV1 0s 10.6 15.5 30.1 49.5 56.3 64.1 sec FOV2 0s 5.8 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 10.7 25.3 44.7 51.5 59.3 16 S/C principales caractéristiques ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ S/C masse au lacncement Puissance disponible S/C hauteur Diamètre bouclier Charge utile - pupille d'entrée - focale - plan focal Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard : : : : 2 2 3 ø t kW m = 10 m : 1.45 x 0.5 m : 30 m : ~ 1 G pixels bouclier thermique de 10m ø 17 Gaia : Balayage (diagrammes L. Lindegren) Mouvement de l'axe de rotation Ciel balayé sur quatre jours Trajet de la direction de visée sur 4 jours Axe de rotation Trajet de l'axe de rotation sur 4 jours 4 rev/jour 45° Trajet du soleil sur 4 mois soleil Trajet de l'axe de rotation sur 4 mois Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 18 Balayage du Ciel : 2 mois Spin-axis Scan circles Sun Animation : L. Lindegren Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 19 Gaia lancement et orbite (credit: EADS Astrium) 5 - 6 ans d'observation (presque) continue Orbite de Lissajous autour de L2 ~1 correction d'orbite par mois ~1 mois Orbite de transfert vers L2 L2, a = 1.01 ua Soyuz/Fregat lancement depuis Kourou Barycentre Terre-Lune, a = 1 ua Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 20 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 21 Précisions astrométriques attendues Erreurs moyennées sur le ciel pour les étoiles G0V (étoiles simples, pas d'extinction) V magnitude 6 - 13 14 15 16 17 18 19 20 mag Parallaxe 8 13 21 34 55 90 155 275 mas Mouvement propre 5 7 11 18 30 50 80 145 mas / an Position @2015 6 10 16 25 40 70 115 205 mas 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 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 22 II- Les Données et le traitement le défi 23 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 24 Volume de données : estimation rapide Nombre d'images par seconde Moyenne 19,000 Typique 110,000 Max 2.3x106 ■ 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) = ~ 1 PB ■ Espace de travail x ~ 5 – 10 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 25 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 26 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 - ■ > 10 20 FLOPs. : Calcul pour la recherche des 200x 106 zeros de z(s) - ■ 232,582,657 -1 (M44 09/06, 9.8 millions de chiffres) > 20000 PCs distribués 1021 FLOPs. : plus gros calcul fait à ce jour (Projet SETI) Résultat : 1 bit ( OUI ou NON ils nous écoutent !) Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 27 II- Les Données et le traitement Organisation du traitement 28 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 29 Structure d'ensemble du traitement de données Formulation relativiste Systèmes multiples Exo-planètes Variabilité Système solaire Système de référence/QSOs Etoiles secondaires Modèle de rotation gal. Solution astrométrique Vitesse radiale Spectroscopie Photométrie Calibration Meilleurs param. instrumentaux Attitude Solution Astrométrique itérative Données orbitales Astrométrie Caractérisation astrophysique L, Teff, Fe/H .. ~ 6 mois First Look Identif. sources Param. d'image Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard Éphémérides SS données CCD Catalogue intermédiaire Attitude de bord PSF/LSF Quotidien 30 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 31 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 32 La mission et le DPAC Acquisition des données DPAC Résultats finaux Traitement de données Télémétrie Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard position PM parallaxes Vitesse radiale magnitude variabilité orbites, masses Teff , log g … … … 33 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 34 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 35 Membres du DPAC ■ En juillet 2007 : 330 membres ~ 180 FTE ■ 16 pays représentés ■ Essentiellement postes stables dans le monde universitaire Distribution sur les CUs CU1 34 CU2 67 CU3 69 CU4 58 CU5 55 CU6 50 CU7 46 CU8 64 total 443 Les contributeurs les plus importants fr 82 it 62 de 28 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard be 23 uk 26 es 21 ch 13 gr 9 esac 14 36 Les Instituts Participants > 20 personnes 15 – 20 11 – 14 8 – 10 5– 7 3– 4 1– 2 DPC Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 37 Le DPAC dans la structure mission European Space Agency ESA Project Manager/Team ESA Project Scientist Industriel Gaia Science Team Sous-traitants Agences Nationales Data Processing Research Training Network 2006-2010 Communauté Scientifique ”Gaia People Finder” recense environ 500 personnes (excluant l'industrie) Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 38 Organigramme général ■ Pas de relation simple : une CU un DPC Gaia Science Team Gaia Project Scientist DPACE CU1 Gaia Project Team Architecture du système Unités de Coordination DPC ESAC CU2 CU3 CU4 CU5 CU6 CU7 CU8 Simulation Traitement central Objets complexes Traitement photométrique Traitement spectroscopique Traitement des variables Paramètres astrophysiques DPC Barcelone DPC Turin DPC Cambridge DPC Genève DPC CNES Centres de traitement des données Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 39 Gaia – Etat du projet et calendrier Aujourd'hui Proposition Concept & Etude Technologique Selection de la Mission Phase de réévaluation Phase B1 Définition Sélection de l'industriel (EADS Astrium) Phase B2 Phase C/D Implémentation Lancement 2011-Dec-01 Opéeration Scientifique Opération Etudes Développement des logiciels Traitement des données Produits de la Mission Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard Traitement des données de la Mission Intermédiaire Final 40 III- Gaia en France et à l'OCA 41 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 42 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 43 Groupe Gaia de Cassiopée ■ Groupe transversal en 2004 ■ Equipe formée en 2005 ■ Equipe en 2008 (avec des doubles appartenances et support) A. Bijaoui P. de Laverny L. Bigot F. Martel F. Mignard A. Morbidelli C. Ordenovic B. Pichon S. Rousset A. Recio-Blanco E. Slezak P. Tanga F. Thévenin Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard Etudiants& Post-docs L. Brand M. Delbo J.C. Mauduit (S. Mouret) Support R. Hollande S. Goletto A. Minuissi 44 Activités de l'équipe ■ Préparation à Gaia Organisation de la mission et coordination DPAC Nœud 'NICE' du réseau Européen ELSA Responsabilité de la participation Française Paramètres stellaires Objets du système solaire Modélisation astrométrique, échelle de temps, éphémérides Système de référence Tests de la relativité Imagerie à petit champs Etoiles variables ■ Recherche Atmosphères stellaires Physique stellaire et galactique Planétologie Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 45 Fin Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 46 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 47 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 48 Fonctionnement du TDI ■ 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 Animation : J. Portell 49 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, ■ 01-05/02 Soyuz, ■ 2004 100 CCDs, s = 10 µas Version révisée et allégée; sélection confirmée (SPC) s = 15 µas Second descoping s = 20 µas (24 µas in MRD avec marges) Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 50 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 51 Lancement 2011 The Soyouz family Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 52
