Max Camenzind Senioren Uni

Würzburg 2018

Gaia Milchstraße in 6+D

Inhalt - Gaia

• Stellarium – mein Planetarium auf dem Computer zu Hause.

• Die ESA-Mission Gaia:

• Aufbau der Sonde

• Lagrange-Punkt L2

• Gaia-Phtotmetrie und Radial-Geschwin-digkeiten

• Hertzsprung-Russell-Diagramme mit Gaia

• Galaktische Absorption mit Gaia

Stellarium - mein Planetarium

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Stellarium Linux, Windows, Mac

OpenGL Software

Horizont

Linke Maustaste

Die Gaia Mission ESA 2014 - 2020

19.12.2013

Entfaltung im Flug nach L2

Gaia operiert vom Lagrange L2 aus

Lagrange-Punkte Erde – Sonne

L1 dient zur Erd- und Sonnenbeobachtung

150 Mio. km 1,5 Mio. km

Die Erde, aufgenommen am 6. Juli 2015 aus einer Entfernung von ca. 1,5 Millionen km mittels der EPIC-Kamera der Raumsonde DSCOVR (Deep Space Climate Observatory) Überwachung von Hurricanes

Überwachung der Erde vom L1 aus

Die Lagrange-Punkte Erde-Sonne

Effektives Potenzial

L1 – L3 sind instabil

L4 & L5 sind stabil

Bewegung um L2

Vermessung der Parallaxe

Aufbau Gaia: 1: Stabiler Torus, ein Ring aus Siliziumkarbid 2: Kühlradiator 3: Elektronik der Fokussierebene 4: Stickstofftanks 5: Prismen für das Spektroskop 6: Treibstofftanks 7: Startracker 8: Telekommuni- kationsteil und Batterien 9: Hauptantrieb

Die Sonnenseite von Gaia

Wie groß ist die Sonneneinstrahlung?

Die Torus-Struktur von Gaia

1,45 x 0,50 m² SiC Spiegel 106,5° Winkel

1,45 x 0,50 m² SiC Spiegel

Kombinierte Fokalebene 106 CCD-Detektoren

Optische Bank

Gaia Scan

Modus -

Spinrate: 4 mal/Tag

Präzession: 63 Tage Sonnen-winkel: 45 Grad

Gaia Scan-Modus • Um den gesamten Himmel abzuscannen ist die

Rotationsachse der Sonde um 45° von der Sonne weggeneigt und präzediert langsam um die Sonne herum. Eine Präzessionsperiode dauert 63 Tage, das sind 5,8 Perioden pro Jahr. In Kombination mit dem Umlauf um die Sonne vollführt die Achse eine spiralförmige Bewegung über die Himmelskugel, während die Teleskope senkrecht zur Drehachse den Himmel entlang von Großkreisen abscannen und so allmählich den ganzen Himmel erfassen. Die Ausrichtung des Scans wurde übrigens dahingehend optimiert, dass einige helle Sterne nahe am Rand von Jupiter vorbei ziehen, so dass die Ablenkung ihres Lichts im Schwerefeld des Riesenplaneten als Beifang gemessen werden kann.

Überdeckung des Himmels

Das Sensorfeld von Gaia

Stern

• Das Sensorfeld besteht aus 106 8,8 Mpx-CCDs mit 90% Quanteneffizienz. Vier Instrumente:

• Sky-Mapper SM identifiziert die Objekte (Sterne); • das Astrometrie-Instrument (AstroF), das die

Sternörter und -eigenbewegungen mit einem breiten Feld aus 62 breitbandigen CCDs misst;

• das Photometer (BP/RP, Blue Photometer/Red Photometer), das die Helligkeitsverteilung über verschiedene Wellenlängen im blauen (320-660 nm, UV-Rot) und roten (650-1000 nm, Rot-IR) Spektralbereich mit jeweils für diese Wellenlängen optimierten CCDs misst;

• das Radialgeschwindigkeits-Spektrometer (RVS, Radial-Velocity Spectrometer), ein Gitter-Spektrometer, das sich im Strahlengang der rechten Seite des Sensorfelds befindet.

Kontroll-CCDs & Fokussierung • 2 CCDs dienen in Kombination mit einem Laser-

Interferometer, das einen künstlichen Stern erzeugt, als Basiswinkel-Monitor (Basic Angle Monitor, BAM; 106,5 Grad). Der Laser-Stern wird in beide Optiken eingespiegelt und auf dem BAM-Sensor überlagert, wo es zur Interferenz mit entsprechendem Streifenmuster kommt. Wenn sich der Winkelabstand der Teleskope ändert, wandert das Interferenzmuster auf dem Sensor. Ein zweiter Sensor dient als Redundanz, falls der erste ausfallen sollte.

• 2 CCDs (WFS) arbeiten als Wavefront-Sensoren nach dem Hartmann-Shack-Verfahren. Die Sekundärspiegel M2 haben jeweils 5 Freiheitsgrade zur Verstellung und werden bei Fehlern in der Wellenfront automatisch justiert.

Sterne im Gaia-Detektor 1

Sterne im Gaia-Detektor 2

The coloured lines in the figure show the revised passbands for G, GBP and GRP (green: G; blue: GBP; red: GRP), defining the Gaia DR2 photometric system.

Gaia Photometrie

Die Parameter aus Gaia-Mission

Grafik: Gerard Gilmore

Sterne pro Quadratgrad

In Parsec mas/Jahr

Wieviele Quadratgrad hat der Himmel?

Anzahl Objekte in Gaia DR2/2018

Der Himmel mit Gaia / DR2

Sky Density Gaia DR2

Die genaueste Karte Milchstraße

Dies ist keine Fotografie! Es ist eine Himmelskarte der gemessenen Helligkeit, oder Strahlungsfluss, von 1,7 Milliarden Objekten im Gaia DR2-Katalog.

Dunkelwolken Milchstraße / Gaia

Die Magellanschen Wolken / Gaia

Helligkeitsverteilung Gaia DR2

5 Parameter Nur Position

? Was bedeutet der Abbruch in der Helligkeits- Verteilung?

Gaia Referenzsystem Gaia-CRF3

Gaia DR2 enthält die Positionen von 556.869 Quasaren mit G-Magnitude ≃ 16 bis 21. Quasare sind sehr weit entfernt, so dass die Eigenbewegung und Parallaxe dieser Objekte nicht mehr messbar ist und daher mit Null angenommen wird. Diese bilden einen nicht-rotierenden Bezugsrahmen für die Messungen der Sternpositionen. Nullpunkt für dieses Messsystem ist das Baryzentrum des Sonnensystems, die Rotationsachse ist gegenüber diesen weit entfernten Objekten fest und stimmt mit der des ICRF überein. Bisher galt das ICRF2 – bestehend aus 3414 VLBI-Quasaren. Quasare sind die wahren Fixsterne am Himmel – mit bloßem Auge nicht sichtbar.

Von den Fixsternen zu Quasaren das neue Referenzsystem Astronomie

Supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum Galaxie

Akkretionsscheibe

Jet Radio - Gamma

Galaxien

Quasare

Quasare sind Punktquellen in kosmologischer Distanz / BOSS

Quasardichte pro Quadratgrad 550.000 Quasare in Gaia DR2

Helligkeitsverteilung der Quasare

G-Helligkeit der Quasare

Genauigkeit des Referenzsystems

Astrometrie Es gibt systematische Fehler abhängig von der Himmels-position, Magnitude und Farbe, die auf unter 0,1 mas geschätzt werden. Es gibt einen durchschnittlichen Parallaxen-Nullpunkt von -30 μas. Eine kleine Menge von Objekten mit gestörten Parallaxen lässt sich an ungewöhnlich großen positiven oder negativen Werten erkennen. Die astrometrischen Unsicherheiten sind mathematisch abgeleitet aus den Daten und wurden nicht an externen Daten kalibriert. Die Werte sind ungefähr 7–10 % unterschätzt für lichtschwache Objekte mit G>16 außerhalb der galaktischen Ebene und ungefähr 30 % für Sterne mit G<12. Die Qualität der astrometrischen Daten für Objekte mit einer Magnitude von heller als 6 ist generell schwächer als die übrigen Daten. Die meisten der 361 Millionen Objekte mit nur zwei Parametern befinden sich am lichtschwachen Ende der Magnitudenskala.

GCRF2 – eine neuer Bezugsrahmen

Für Gaia DR2 wurde dieser Bezugsrahmen mit einer Vorabversion des zum Veröffentlichungsdatum von DR2 noch nicht erschienenen ICRF3 abgeglichen. Eine Teilmenge von gemeinsamen 2820 Objekten stimmt in der Position mit der Vorabversion von ICRF3 sehr gut überein. Die Positionsdaten von ICRF3 stammen dabei von Radioquellen, die mittels Very Long Baseline Interferometry mit Radioteleskopen sehr präzise vermessen wurden. GCRF2 erreichte dabei eine Genauigkeit in den Positionen, die vergleichbar ist mit den Objekten des ICRF3, enthält jedoch sehr viel mehr Objekte. GCRF2 ist damit der erste optische Bezugsrahmen, der den Ausführungen des International Celestial Reference Systems genügt. GCRF2 ersetzt auch den Hipparcos Celestial Reference Frame, den bisher genauesten Bezugsrahmen.

Einar Hertzsprung 1873 - 1967 Henry Norris Russell 1877- 1957

Die Gründerväter des HRD

• Das Hertzsprung-Russell-Diagramm ist das wichtigste

Zustandsdiagramm zur Klassifikation der Sterne. Es

verdankt seinen Namen dem dänischen Astronomen Ejnar

Hertzsprung und dem englischen Astrophysiker Henry

Norris Russell (1913), deren Forschungsarbeit es uns

ermöglicht, Sterne nach bestimmten Kriterien, den

Zustandsgrößen, einzuordnen. Zu ihnen gehören die

Oberflächentemperatur, die Spektralklasse, die

Leuchtkraft, die absolute Helligkeit, die Masse, der

Radius, die mittlere Dichte und andere Größen, die im

Hertzsprung-Russell-Diagramm nicht betrachtet werden.

Auf den Abszissen des HRD werden die

Oberflächentemperatur oder die Spektralklasse von

rechts nach links aufgetragen. Die Leuchtkraft oder die

absolute Helligkeit werden durch die Ordinate

charakterisiert und nehmen von unten nach oben zu.

Hertz-sprung

& Russell (1913)

Leuchtkraft

als

Funktion

der Stern-

Temperatur

Sterne

bevölkern

nur gewisse

Äste

M 55 CFHT: 100 Lichtjahre Durchmesser / 100.000 Sterne / 12 Mrd. Jahre alt

Asympt.

Riesenast

AGB

Horizontal-

Ast

(He-Fusion)

Riesen-Ast

(Schalen)

Hauptreihe

(H-Fusion)

RR Lyrae

Knie

FV-Diagramm

Ra

die

n H

ert

zsp

run

g-

Ru

sse

ll D

iag

ram

m

Stephan-Boltzmann:

L = 4π R2 σT4 R = const

HRD d < 100 pc

d < 25 pc d < 50 pc 3724 Sterne 29.683 Sterne

d < 100 pc 4.277.000 Sterne

212.728 Sterne

Hertzsprung-Russell-Diagramme

Braune Zwerge in Gaia DR2

Wie sind M-, L-, T-Typen definiert?

Wasserstoff H

Helium He

Kohlenstoff CO

26.264 Weiße Zwerge in Gaia DR2 aufgeschlüsselt nach Atmosphären

Neue Weiße Zwerge innerhalb 20 pc

Grafik: arXiv:1805.12590

Massenverteilung WZ d < 20 pc

Grafik: arXiv:1805.12590

Stellare Radien & Temperaturen

Interpretation?

14 Kugelsternhaufen / Gaia DR2

Gaia Daten 14 Kugelsternhaufen

Was ist DM? – Wie ermittelt man das Alter?

32 offene Sternhaufen

Isochronen Plejaden

Isochronen Hyaden

Isochronen Kugelsternhaufen

Veränderliche Sterne:

RR Lyrae Cepheiden

LP Veränderliche

Veränderung der Farbe

(Temperatur) [Gaia DR2] Farbindex Gaia

Ab

solu

te H

ellig

keit

G G

aia

220.000 RR Lyrae Sterne in DR2

Plot der ca. 220.000 bekannten RR-Lyrae-Sterne in galaktischen Koordinaten, darunter ca. 46.000 alleine in den Magellanschen Wolken (Kleckse halb rechts bei -30° bis -50° galaktischer Breite), 2.860 in 87 Kugelsternhaufen und 984 in Zwerggalaxien. Grüne Punkte sind bereits bekannte Sterne, gelbe sind bekannte Sterne, die in den Gaia-Daten von den Autoren nicht identifiziert werden konnten, und schwarze Punkte sind 50.220 neu gefundene RR-Lyrae-Sterne.

Die Cepheiden-

Frage HST vs

DR2

Riess et al. 2018, arXiv:1804.10655

Parallaxen-Offset Cepheiden HST vs DR2

Riess et al. 2018, arXiv:1804.10655

Absorption am Himmel Gaia DR2

Extinktionskarte Gaia DR2

Extinktionswolken Gaia DR2

Die Plejaden-Kontroverse Entfernung?

Die Plejaden-

Kontroverse ist

gelöst -

Gaia Distanz

Einklang mit VLBI

Gaia DR2

Kinematik der

Großen Magellan-

schen Wolke

mit [Gaia DR2]

Rotationskurve der LMC [Gaia DR2]

Welche Masse hat die LMC?

Gaia GC & Zwerg-Galaxien DR2

The Milky Way as reconstructed from Gaia DR2 data, highlighting the location of nearly 90 satellites of the Milky Way: globular clusters (in blue) and dwarf galaxies (in red) with annotations. The arcs shown along with each satellite show the trajectories of the objects, and more specifically the path these objects take in the next 10 million years for the globular clusters (in blue) and in the next 100 million years for the dwarf galaxies (in red). Image created by Maarten Breddels.

Sonnen- System

mit Gaia

- Asteroid

Orbits Farbe = Albedo

[Gaia DR2]

Sonnen-system

Asteroiden

Farbe = Perihel

[Gaia DR2]

Asteroiden sind lichtschwach