Panel 1 Mil millones de ojos para mil millones de estrellas El proyecto espacial Gaia



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Panel 1

Mil millones de ojos para mil millones de estrellas

El proyecto espacial Gaia

Gaia se lanza a finales de 2013 y funcionará hasta el 2019. Los datos finales se esperan hacia el 2020, aunque antes ya habrá datos preliminares. Sin duda, Gaia revolucionará prácticamente todos los campos de la astrofísica.

La importancia de Gaia radica en la capacidad para medir posiciones y movimientos con una precisión sin precedentes, equivalente a que un habitante de la Tierra fuera capaz de distinguir una moneda de euro que le hubiese caído a un astronauta andando por la Luna.

La misión Gaia, diseñada y construida por la Agencia Espacial Europea (ESA) a propuesta de los científicos europeos, tiene como objetivo la medida de las posiciones, distancias y movimientos de mil millones de estrellas para desgranar la historia de la evolución de nuestra Galaxia, desde sus orígenes hasta nuestros días.

En esta exposición se muestran los diferentes aspectos de la misión. Esperamos que la disfrutéis.

Ilustración 1: La Galaxia (A. Fujii, Telescopio espacial Hubble) - Gaia (ESA y ATG medialab)

1.000.000.000 estrellas, 1.000.000.000 píxeles, 1.000.000.000.000.000 bytes

Panel 2

La conquista del cielo

Las civilizaciones antiguas ya sabían que los cuerpos celestes se mueven con regularidad y que su observación podía resolver problemas prácticos, como fijar las fechas óptimas para la siembra y la cosecha. Esto supuso el inicio de la astrometría, la rama de la astronomía que estudia las posiciones y los movimientos de los astros.

Ilustración 1: Mapa celeste del hemisferio norte completo más antiguo que se conserva (Dinastía Tang,China 649 - 684). Manuscritos Dunhuang (http://idp.bl.uk/)

Escala temporal

300 a.n.e Primeros catálogos celestes en China y Egipto.

150 a.n.e. Ilustración 2: astrolabio

Hiparco de Nicea catalogó 1080 estrellas con una precisión de un grado en las posiciones.

s. II Ilustración 3: esfera armilar

Zhang Heng construyó la primera esfera armilar ecuatorial conectada a un reloj de agua, mejorando la precisión de las medidas.

s. XVI Ilustración 4: sextante

Tycho Brahe elaboró un catàlogo con una precisión de un minuto de arco, al límite del ojo humano.

s. XVII Ilustración 5: telescopio

Galileo Galilei utilizó por primera vez el telescopio que permitió precisiones de segundos de arco.

1989-1993

El satélite Hiparcos (ESA 1989 - 1993) consiguió precisiones de milisegundos de arco para 120.000 estrelles. Los datos de Hipparcos han supuesto una revolución en muchos campos de la astrofísica.

2013 -2019

Gaia permite medir ángulos de microsegundo de arco para mil millones de estrellas.

Gaia es capaz de medir una mariposa en la Luna vista desde la Tierra.

El satélite Hipparcos fue capaz de medir un elefante en la Luna desde la Tierra.

La Luna llena que vemos en el cielo ocupa medio grado.



Panel 3

Las estrellas se mueven

Hace 300 años se descubrió que las estrellas no están fijas y que las constelaciones cambian de forma lentamente. Una estrella se mueve unas docenas de km por segundo.

Las imágenes muestran la estrella de Barnard, la que tiene el movimiento aparente más rápido. Se mueve 10,4 segundos de arco al año y tiene una paralaje de 0,55 segundos de arco. ¿Sabes localizarla en las fotos?

Con un telescopio pequeño y durante un año y medio se puede apreciar el movimiento rápido de la estrella y la variación anual debida al movimiento de la Tierra alrededor del Sol.

Ilustración 1:

Movimiento de la estrella de Barnard

Ascensión recta 17h, Declinación +40º 40’

abr 23, may 22, jun 23, jul 22, ago 24, sep 20, oct 23, nov 23, mar 4, mar 27, abr 12, may 7, jun 6, jun 18, jul 4

ago 8, sep 7, oct 10, nov 6, dic 8

Observaciones de D. di Cicco



La Osa Mayor a lo largo de los tiempos

Ilustración 2: Hace 70.000 años. Hace 25.000 años. Dentro de 70.000 años.

80.000 segundos de arco = 22 grados. 1 segundo de arco. 10 años de movimiento y paralaje

La paralaje

El hecho de que la Tierra cambie su posición respecto del Sol durante el año hace que las estrellas describan una pequeña elipse en el cielo. El tamaño de esta elipse (ángulo de paralaje) nos proporciona la distancia a la estrella. Cuanto más pequeña es la paralaje más lejana se encuentra la estrella.

Ilustración 3: Movimiento aparente, estrella lejana. Movimiento aparente, estrella cercana

Tierra en enero, Tierra en julio, Sol, ángulo de paralaje



Las paralajes son muy pequeñas

La estrella más cercana tiene una paralaje de solo 0,74 segundos de arco. Una estrella en el centro de la Galaxia tiene una paralaje de 0,0001 segundos de arco. Para medir ángulos tan pequeños hace falta un instrumento como Gaia.

En 1837 se midió la primera paralaje, correspondiente a la estrella Vega.

Panel 4

El lanzamiento de Gaia

Gaia empieza su misión a bordo de un lanzador Soyuz-Fregat en la base de lanzamiento de la ESA en Kourou, en la Guayana Francesa. Un viaje de 30 días lo sitúa en una órbita alrededor del punto L2 del sistema Sol-Tierra, a 1,5 millones de km de la Tierra.

Iustración1:

Lanzador Soyuz VS03 (ESA–S. Corvaja)



La órbita alrededor de L2

L2 es uno de los puntos estables en el sistema gravitatorio Sol - Tierra. Además de Gaia, satélites como Plank y Hershel orbitan alrededor de L2.



t0 = instante del lanzamiento

Los motores de la primera y segunda etapa se encienden y el lanzador deja la plataforma de lanzamiento



t0 + 118 s

Los cuatro motores de la primera etapa se apagan y sus cuatro unidades se separan del resto del vehículo.



t0 + 208 s

El lanzador ya ha alcanzado suficiente altura para que el carenado se pueda separar. El satélite está ahora al descubierto.



t0 + 288 s

Los motores de la tercera etapa se encienden y se separan de la segunda etapa.



t0 + 562 s

La tercera etapa se separa de la etapa superior. La etapa superior da una vuelta alrededor de la Tierra antes de dejar la órbita.

t0 + 50 min

Después de que la etapa superior haya fijado la dirección de Gaia hacia el punto de Lagrange L2, se separa.

t0 + 60 min

Mientras dura el vuelo hasta L2 Gaia abre su parasol para proteger los instrumentos sensibles a la radiación del Sol.



El lanzador Soyuz-Fregat

Cuadro:


Longitud­­­­____46,2 m

Diámetro____10,3 m

Peso____308 toneladas

Combustible____queroseno, oxígeno líquido

Etapas____3+ etapa superior Fregat

Ilustración 2:

Gaia, adaptador carenado, etapa superior, adaptador, 3ª etapa, 2ª etapa, 1ª etapa (4 x)

Ilustración 3:

Sol, Tierra, Luna, 150 millones de km 1,5 millones de km, L2

Panel 5

Una máquina de descubrimientos

Gaia es uno de los instrumentos más precisos y tecnológicamente avanzados que se han construido nunca.



La fuente de energía de Gaia

Los paneles solares generan la energía que Gaia necesita. Están situados sobre el parasol, que tiene la función de hacer sombra al módulo central del satélite, manteniéndolo a una temperatura estable de aproximadamente -110 ºC.

¿Sabías que Gaia consume solo un poco más que un lavaplatos?

Los telescopios

Gaia tiene dos telescopios que envían la luz a un único plano focal, donde se registran las imágenes de los objetos observados. La forma de los espejos se ha pulido con una precisión de unas pocas milésimas de milímetro.



¿De qué está hecho Gaia?

La estructura y los espejos de Gaia están hechos de carburo de silicio, un material muy resistente y casi tan duro como el diamante, pero a la vez muy ligero.



Gaia en cifras

Masa____2030 kg

Dimensiones

Diámetro del parasol____11 m

Diámetro de la cubierta térmica____3 m

Altura de la cubierta térmica____2m

Número de telescopios____2

Distancia focal de los telescopios____35 m

Tamaño de los espejos primarios____1,45 m × 0,5 m

Número total de espejos____10

Consumo energético____1720 W

Vida útil____5 años

Coste____700 millones de €

Ilustración 1:

Módulo de carga, espejos primarios, plano focal

Ilustración 2:

Diagrama de Gaia (ASTRIUM)

Persona a la misma escala, Cubierta térmica, Parasol desplegable, Módulo de carga, Paneles solares desplegables, Plano focal, Módulo de servicio, Sistemas de quimio y micropropulsión, Antena de alta ganancia, Paneles solares fijos

Ilustración 3:

Paneles solares, parasol



Panel 6

Los ojos de Gaia

Los chips registran las imágenes como lo harían cámaras digitales con un total de mil millones de píxeles. Es el plano focal más grande construido para operar en el espacio.



¿Cómo funciona un chip de Gaia?

A diferencia de las cámaras fotográficas digitales, los píxeles se llenan y se vacían continuamente, sincronizados con el movimiento de las estrellas sobre el plano focal.

[1] En los píxeles se acumulan electrones, más cuanta más luz llega. Son, pues, contadores de luz.

[ 2 ] La imagen se desplaza a los píxeles contiguos al mismo ritmo que la estrella se mueve sobre el chip. El tiempo de exposición aumenta y la imagen se va haciendo más intensa.

[3] En estos píxeles no expuestos a la luz, la imagen se desplaza perpendicularmente hacia el píxel lector.

[4 ] El píxel lector: el número de electrones acumulados se convierte a un número digital

que se almacena en memoria para enviarlo a Tierra posteriormente.

La luz de las estrellas y galaxias incide en los 106 chips del plano focal.

[a]Chips para detectar los objetos celestes.

[b] Chips para la medida de la posición y el brillo de los objetos.

[c] Chips detrás de dos prismas azul y rojo.

[d] Chips detrás del espectrógrafo, un conjunto de prismas que descompone la luz con mucho detalle.

Ilustración 1: Plano focal con todas las CCD’s. (Astrium SAS)



El montaje

Colocación precisa de los chips por expertos ingenieros.

El conjunto ocupa 104 cm x 42 cm. El montaje duró más de un año.

¿Sabes la temperatura de los chips? ¡Los chips trabajan a -110ºC y producen el calor de 30 neveras!



Dispersión de la luz

Cuando la luz pasa por un prisma se dispersa en colores como el arco iris.

El contraste de colores y las líneas oscuras (por falta de luz) permiten saber qué tipo de estrella o galaxia observamos.

La posición de las líneas oscuras permiten deducir a qué velocidad se acerca o se aleja una estrella.

Ilustración 2: Prismas, Rigel, Arcturus, Aldebaran, Capella, Sol, Polar, Vega, Betelgeuse

Ilustración 3: Espectrógrafo, en reposo, se aleja, se acerca



Panel 7

Modo de observación

En seis horas los dos telescopios de Gaia barren un gran círculo en el cielo y hacen 10 millones de observaciones.

Ilustración 1:

La Galàxia (A. Fujii, Telescopio espacial Hubble ) - Gaia (ESA y ATG medialab)



Los cálculos

En la figura se ven, en tres colores, observaciones hechas en días diferentes. Hace falta combinar todas las observaciones de una estrella para calcular con precisión su posición y su movimiento.

Ilustración 2: Pasos del procesamiento de los datos

1. Identificación de las observaciones de un mismo objeto

2. Determinación de las características del instrumento

3. Resolución de las posiciones de los objetos

4. Se añaden más observaciones

5. Repetición del proceso

Ancho de escaneo = 0,7º

Barrido del cielo



Cubriendo el cielo

Gaia mide los ángulos entre estrellas separadas unos 106 grados. El círculo de barrido cambia poco a poco y combinando observaciones de muchos días podemos calcular las posiciones y movimientos de las estrellas.

En cinco años, Gaia observa todo el cielo unas 70 veces.

Número de observaciones por objeto en 5 años



El movimiento de Gaia

Gaia gira una vez cada seis horas sobre sí mismo. A la vez el eje de rotación se mueve alrededor del Sol formando siempre un ángulo de 45º.

La combinación de estos movimientos permite que Gaia observe todo el cielo.

Ilustración 3:

Camino del eje de giro en 4 días

Camino de la dirección visual en 4 días

Eje de giro

Camino del Sol en 4 meses

4 rev/día

Camino del eje de giro en 4 meses



El dato fundamental

El dato fundamental que Gaia necesita para obtener la posición de una estrella es el instante de tiempo en que la estrella pasa por un chip.



Panel 8

La Galaxia en un petabyte

El procesamiento de datos transforma las imágenes de estrellas adquiridas por el satélite en datos finales científicos.

Ilustración 1: Barcelona Supercomputing Center (Centro Nacional de Supercomputación)

Centros de procesamiento de datos

El consorcio responsable del tratamiento y análisis de datos está formado por seis centros de procesamiento y 400 científicos e ingenieros de una quincena de países europeos.



Volumen de datos

● 8 Mbps - ocho horas al día

● 60 GB diarios - 600 millones de imágenes

● 100 TB de datos durante los cinco años de misión - más de 1 billón de imágenes recibidas

● 1 PB al final de la misión, considerando telemetría más datos finales.

Ilustración 2:

5 libros de datos astrométricos

~ 50.000 libros de datos astrométricos + velocidades radiales hasta magnitud ~17

¿Sabías que un petabyte es el equivalente a lo que ocuparía la vida de una persona que viviese más de 200 años grabada en alta definición?

Cadena de procesamiento

La precisión de microsegundos de arco en los datos finales y el gran volumen de datos generado durante los cinco años de misión requieren un conjunto de programas y soluciones de supercomputación muy complejos.

Las imágenes obtenidas diariamente son procesadas de una manera preliminar en menos de 24 horas. Cada seis meses todos los datos acumulados se reprocesan iterativamente, mejorando los resultados.

Si se tardase un segundo en procesar cada imagen recibida, el catálogo final no estaría listo hasta dentro de unos 31.000 años. La fecha estimada de publicación de este catálogo está prevista para el 2020.



Panel 9

Las estrellas son los ladrillos de las galaxias

Las estrellas, de las más jóvenes a las más viejas, son uno de los constituyentes más importantes de las galaxias.

Ilustración 1: Cúmulo globular M13

Equipo NASA, ESA, y el patrimonio Hubble (STScI/AURA), C. Bailyn (Yale), W. Lewin (MIT), A. Sarajedini (Florida), and W. van Altena (Yale)



¿Cómo obtenemos su brillo?

Conociendo la distancia a la que está la estrella (a partir de su paralaje) y midiendo su brillo aparente (la luz que recibimos de la estrella) podemos saber cual es el brillo real de la estrella.

Una estrella con el mismo brillo real que otra pero más cercana parece que brille más.

¿Sabías que Gaia proporciona la edad, la masa y la composición química del 1% de las estrellas de la Galaxia?



La evolución de las estrellas

El diagrama Hertzprung-Russell relaciona el brillo de cada estrella con su color y su temperatura. Representa la foto familiar de las estrellas. La posición de una estrella en el diagrama nos permite conocer su edad y su evolución pasada y futura.

Ilustración 2:

Nebulosa estelar, Estrella normal, Gigante roja, Nebulosa planetaria, Enana blanca

Estrella masiva, Supergigante roja, Supernova, Estrella de neutrones, Agujero negro

Vidas posibles de una estrella según su tamaño

Ilustración 3: Diagrama Hertzprung-Russell

SUPERGIGANTES

SECUENCIA PRINCIPAL

GiGANTES


luminosidad (unidades solares)

más temperatura, temperatura en la superficie (Kelvin), menos temperatura



Estrellas binarias

Gaia puede "pesar" las estrellas que viven en parejas: la gravedad que las mantiene atadas define la órbita que observamos visualmente. Cuando las estrellas se eclipsan mutuamente, la duración de los eclipses nos permite deducir el tamaño de las estrellas.

Ilustración 4: Brillo, periodo, tiempo.

Panel 10

Montañas que vuelan y otros mundos

Gaia puede determinar la órbita de más de 200.000 asteroides y detectar un millar de objetos con órbitas próximas a la Tierra.

Ilustración 1: Asteroide Vesta, 575 km de longitud (Sonda Dawn, NASA) - fondo(ESO/Digitized Sky Survey 2)

Planetas extrasolares

Se han descubierto cerca de un millar de planetas alrededor de otras estrellas. Gaia detecta cerca de 5000 nuevos planetas con el método fotométrico y 2000 más con el método astrométrico.

Método astrométrico

La pequeña atracción gravitatoria del planeta sobre la estrella perturba su movimiento en el cielo. Gaia es capaz de detectarestas perturbaciones.

Método fotométrico

La disminución de brillo de la estrella cuando el planeta pasa entre ella y nosotros permite detectarlo.

Ilustración 2: Estrella, Planeta, Brillo

Asteroides

Los asteroides son pequeños cuerpos del Sistema Solar situados la mayoría entre las órbitas de Marte y de Júpiter. Son detectables gracias a su gran movimiento.

Ilustración 3: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Cinturón principal de asteroides, Asteroides troianos, Júpiter

¿Qué forma tienen?

Su brillo cambia cuando giran, lo que permite deducir sus formas y periodo de rotación. Con sus espectros podemos conocer su composición química.



¡Atención, peligro!

Podemos observar miles de objetos potencialmente peligrosos que no pueden observarse desde la Tierra.

Ilustración 4: Observable por Gaia, no observable por Gaia, Órbita asteroides familia Atenea, órbita de la Tierra, no observable desde la Tierra, cielo diurno, cielo nocturno, órbita de Gaia.

Más allá de Neptuno

Tan solo un centenar de objetos transneptunianos son lo bastante brillantes como para detectarlos con Gaia.

Ilustración 5: Disnomia, Nix, Caronte, Namaka, Eris, Plutón, Haumea, Hidra

¿Sabías que… el 15 de febrero de 2013 impactó en Chelyabinsk (Rusia) un meteorito y provocó una explosión 30 veces superior a la bomba atómica de Hiroshima?



Panel 11

Nuestra Galaxia

Gas, polvo, materia oscura y 100.000.000.000 de estrellas.

Ilustración 1: La Vía Láctea. En el centro la constelación del Centauro. A. Fujii (ESA) (NASA)

¿Cómo se forman las galaxias?

Gaia nos permite determinar la edad de las estrellas y los elementos químicos que las forman. Esto nos debe servir para averiguar como se formó nuestra galaxia hace cerca de 13 mil millones de años.

La llamada Simulación del Milenio intenta modelar la distribución de materia oscura del Universo, desde el inicio hasta el momento actual. De acuerdo con los modelos aceptados hoy en día las galaxias como la nuestra se formarían a partir de condensaciones como la observada en la figura.

¿Cómo gira todo?

Todavía no sabemos si nuestra galaxia tiene dos o cuatro brazos y tampoco como reaccionan las estrellas al cruzarlos.

El movimiento de las estrellas situadas a miles de años luz del Sol permitirá conocer como se han formado y como giran los brazos espirales.

Ilustración 2: Longitud galáctica, Brazo de Perseo, Sol, Barra larga, Brazo de la Norma, Brazo del Centauro, Barra galáctica, Brazo cercano 3 Kpc, Brazo lejano 3 kpc, Brazo exterior

Ilustración artística del disco de nuestra galaxia.

El Sol está a unos 27.000 años luz del centro donde se encuentra un agujero negro con una masa tres millones de veces la masa del Sol.



Materia oscura

Gracias a Gaia podremos estudiar como está repartida la materia oscura, esta sustancia desconocida que mantiene a la Galaxia unida. Si la materia oscura no existe, quizá se deba cambiar la ley de la gravedad. El movimiento de las estrellas vuelve a ser la clave.

Vera Rubin

Descubridora de la materia oscura.

Ilustración 3: Materia oscura, Gas y polvo, Estrellas

Una visión de conjunto

Hemos conseguido fotografiar el disco de nuestra galaxia en todo el espectro electromagnético. Las ondas radio (arriba) nos muestran el gas, las de infrarrojo (enmedio) el polvo y los rayos gamma (abajo) los procesos más violentos de la formación estelar. Gaia aporta una mirada profunda en el visible, donde domina la luz de las estrellas.

Ilustración 4: El disco galáctico a diferentes longitudes de onda.

Rayos gamma, Rayos X, Visible, Infrarrojo cercano, Infrarrojo medio, Infrarrojo, Hidrógeno molecular, Radio continuo, Hidrógeno atómico, Radio continu, Bulbo galáctico, LAZO DEL CISNE, TANGENTE AL BRAZO, ESPIRAL DE SAGITARIO, TANGENTE AL BRAZO , ESPIRAL DE NORMA, SACO DE CARBÓN, NEBULOSA DE CARINA



Panel 12

Más allá de la Galaxia

Fuera de nuestra Galaxia, Gaia observa desde estrellas individuales en las galaxias más cercanas hasta los objetos más lejanos y más antiguos que se conocen, los quásares y las galaxias primigenias.

Ilustración 1: Galaxia de Andrómeda (Jason Ware)

El espacio profundo

En los límites del universo visible observamos las galaxias en sus primeros estadios de evolución. Algunas, en su centro, contienen unos objetos muy brillantes llamados quásares.

Gaia utiliza estos objetos tan lejanos, que parecen estar inmóviles, como referencia para detectar los movimientos de objetos más cercanos. Para Gaia, los quásares marcan los puntos cardinales del universo.

Ilustración 2: SO, NO NE, SE,O, N, E, E



Las Cefeidas y la escala de distancias

Las estrellas Cefeidas son un tipo especial de estrella que permite, indirectamente, conocer la distancia a otras galaxias. Gaia puede observar permitiendo conocer la escala de distancias del universo. Este método fue descubierto por H. Leavitt en 1912.



Galaxias satélite

A principios del 2013 se conocían una quincena de galaxias satélite de la nuestra. Gaia puede descubrir muchas más.

Ilustración 3: Enana, Carina, Enana, Sagitarius, Enana, Ursa Minor, Enana, Draco, Enana, Bootes, Enana, Sextans, Ursa Major I, Gran Nube Magallanes, Pequeña Nube de Magallanes, Enana, Sculptor, Enana-Fornax, Ursa Major II, 100 000 años luz

Andrómeda y las Nubes de Magallanes

De la vecina galaxia de Andrómeda y de las Nubes de Magallanes (satélites de la Galaxia), Gaia puede determinar la distancia y la distribución de materia oscura.

Ilustración 4: Gran Nube de Magallanes (NASA)

Galaxias lejanas

Gaia también permite conocer las características generales de galaxias demasiado alejadas como para distinguir sus estrellas individuales.

Ilustración 5: Espacio profundo (Hubble- NASA)

Panel 13

Un laboratorio de física fundamental

Las observaciones de Gaia permiten verificar la teoría de la relatividad general en detalle. La comparación entre sus predicciones y las observaciones de Gaia será un test muy exigente para esta teoría.

Ilustración 1: Versión artística del púlsar PSR J0348 0432 y su enana blanca (ESO / L. Calçada)

Las observaciones: un reto relativista

El efecto de la gravedad del Sol y los planetas hace que la luz no viaje en línea recta sino que siga una trayectoria curva. Este es un efecto pequeño pero la gran precisión de las observaciones de Gaia hace que se deba tener en cuenta. Ha sido necesario desarrollar un modelo basado en la teoría de la relatividad para predecirlo con una precisión mejor que un milisegundo de arco.

Ilustración 2: Posición real de la estrella, Posición percibida de la estrella , red espacio- tiempo, Tierra, Sol

Verificando la teoría de la relatividad

El modelo relativista de Gaia está caracterizado por un parámetro llamado Ɣ. Si Einstein tiene razón, su valor es 1 y Gaia lo puede verificar con una precisión de una parte ente diez millones.



Verificandola constancia de G

La constante de la gravitación G que aparece en las fórmulas de la fuerza de la gravedad formulada por Newton, ¿es realmente constante? Esta es la hipótesis habitual. Gaia puede verificar, con las observaciones de asteroides y enanas blancas, si a lo largo de la historia del universo este parámetro ha variado su valor.



Ilustración 3: Versión artística del sistema binario NLTT 11748 formado por dos enanas blancas.

Panel 14

Participación española

Más información en: http://gaiavideo.ub.edu/

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