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La Mission GAIA Objectifs, description, organisation ---- F. Mignard OCA/Cassiopée

La Mission GAIA Objectifs, description, organisation ---- F. Mignard OCA/Cassiopée. 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.

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La Mission GAIA Objectifs, description, organisation ---- F. Mignard OCA/Cassiopée

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  1. La Mission GAIA Objectifs, description, organisation ---- • F. Mignard • OCA/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 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  3. Objectifs et performances I- Le Projet

  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 0 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 1000 1000 Hipparchus Ulugh Beg 100 100 Tycho Brahe 10 10 Hevelius Wilhelm IV Flamsteed 1 as 1 as Bradley-Bessel 100 100 Naked eye GC 10 10 telescopes FK5 1 mas Hipparcos 100 1 mas 100 ICRF 10 10 1 µas 1 µas GAIA SIM 0 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2000 yrs - 4.5 dex 20 yrs 4.5 dex Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  6. 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

  7. 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

  8. G A I A • 109 étoiles • 25 µas @ V = 15 mag • Photométrie ( ~ 25 bandes) Mission ESA Lancement : 2012 Mission : 5 ans • Vitesse radiale • Spectro basse résolution Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  9. La Science avec Gaia Physique stellaire Structure galactique Systèmes stellaires Quasars & galaxies Exo-planètes Système solaire Physique fondamentale Systèmes Référence Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  10. 10 kpc Système solaire 2 1% 5 10 20% Exploration en distance pour une étoile G0V (sans extinction) Credit: ESA/NASA/CFHT/NOAO 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,  s = 10 µas • 01-05/02 Version révisée et allégée; sélection confirmée (SPC) • Soyuz,  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

  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 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  13. l'instrument et les observations I- Le Projet

  14. L’instrument Télescopes Plan focal Couverture thermique Panneaux solaires Ø ~ 10 m Module de propulsion Module de Propulsion (chimique) Antenne (1 Mbit/s) Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  15. Gaia : télescopes et détecteur • 2 telescopes à optique hors-axe • 1.45 x 0.5 m2 d'ouverture • 35 m de distance focale 106.5 deg • plan focal unique • 106 CCDs • 1 Gigapixel • 0.93 x 0.42 m2 M4M'4 Recombinaison des faisceaux Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  16. Plan Focal 0s 10.6 15.5 30.1 49.5 56.3 64.1 BP RP SM1-2 AF1 - 9 RVS 420 mm 0.69° WFS WFS BAM BAM 930 mm sec FOV1 sec FOV2 0s 5.8 10.7 25.3 44.7 51.5 59.3 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. Gaia : Balayage Mouvement de l'axe de rotation Ciel balayé sur quatre jours Trajet de la direction de visée sur 4 jours Trajet de l'axe de rotation sur 4 jours 4 rev/jour Axe de rotation 45° Trajet du soleil sur 4 mois soleil Trajet de l'axe de rotation sur 4 mois (diagrammes L. Lindegren) Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  19. Balayage du Ciel : 2 mois Scan circles Spin-axis Sun Animation : L. Lindegren Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  20. 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 Ligne Soleil-Terre 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 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  23. le défi II- Les Données et le traitement

  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 Nombre d'images par seconde Moyenne Typique Max 19,000 110,000 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) • Espace de travail • x ~ 5 – 10 = ~ 1 PB 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 z(s) - > 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

  28. Organisation du traitement II- Les Données et le traitement

  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 Formulation relativiste Etoiles secondaires Système de référence/QSOs Solution astrométrique Modèle de rotation gal. Spectroscopie Vitesse radiale Meilleurs param. instrumentaux Attitude Calibration Solution Astrométrique itérative Systèmes multiples Données orbitales Caractérisation astrophysique L, Teff, Fe/H .. Exo-planètes Système solaire Variabilité Astrométrie Éphémérides SS ~ 6 mois First Look Catalogue intermédiaire Identif. sources Itérations Photométrie Attitude de bord Param. d'image PSF/LSF Quotidien données CCD 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 Acquisition des données DPAC Résultats finaux Traitement de données position PM parallaxes Vitesse radiale magnitude variabilité orbites, masses Teff , log g … … … Télémétrie 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 Distribution sur les CUs CU1 CU2 CU3 CU4 CU5 CU6 CU7 CU8 total 34 67 69 58 55 50 46 64 443 Les contributeurs les plus importants fr it de be uk es ch gr esac 82 62 28 23 26 21 13 9 14 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  37. Les Instituts Participants > 20 personnes 15 – 20 11 – 14 8 – 10 5 – 7 3 – 4 DPC 1 – 2 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  38. Le DPAC dans la structure mission European Space Agency Agences Nationales Data Processing Research Training Network 2006-2010 ESA Project Manager/Team ESA Project Scientist Industriel Gaia Science Team Sous-traitants Communauté Scientifique ”Gaia People Finder” recense environ 500 personnes (excluant l'industrie) Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  39. Organigramme général CU2 Simulation CU3 Traitement central CU4 Objets complexes CU5 Traitement photométrique CU6 Traitement spectroscopique CU7 Traitement des variables CU8 Paramètres astrophysiques • Pas de relation simple : une CU  un DPC Gaia Science Team Gaia Project Scientist DPACE CU1 Architecture du système Gaia Project Team Unités de Coordination DPC CNES DPC Genève DPC Cambridge DPC Turin DPC Barcelone DPC ESAC Centres de traitement des données Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  40. Gaia – Etat du projet et calendrier 1993 1997 1998 1999 2003 2004 2006 2007 2008 2010 2011 2013 2014 2017 2018 2019 1994 1996 2000 2001 2002 2009 2012 2015 2020 1995 2005 2016 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 Traitement des données de la Mission Intermédiaire Final Produits de la Mission Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  41. III- Gaia en France et à l'OCA

  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. Mauduit F. Martel (S. Mouret) F. Mignard • Morbidelli Support C. Ordenovic R. Hollande B. Pichon S. Goletto S. RoussetA. Minuissi A. Recio-Blanco E. Slezak P. Tanga F. Thévenin Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

  45. 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

  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 • 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 Animation : J. Portell 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,  s = 10 µas • 01-05/02 Version révisée et allégée; sélection confirmée (SPC) • Soyuz,  s = 15 µas • 2004 Second descoping • 100 CCDs,  s = 20 µas (24 µas in MRD avec marges) Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

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