Gaia, een ruimtemissie met Belgische klemtonen

Gaia, een ruimtemissie met Belgische klemtonen Op 19 december in de ochtend lanceert het Europese Ruimtevaart Agentschap (ESA) de satelliet Gaia vanuit Kourou. De satelliet zal een belangrijk deel van de Melkweg in 6 dimensies (posities en snelheden) in kaart brengen. In augustus 1989 baande ESA de weg voor een ware revolutie in de stellaire astrofysica met de lancering van de satelliet Hipparcos. Hij observeerde iets meer dan honderdduizend sterren gedurende drie jaar. Dankzij deze missie kon de astronomische gemeenschap wereldwijd gebruik maken van posities, afstanden en tangentiële bewegingen met een nooit geziene nauwkeurigheid voor zo'n groot aantal objecten in één keer. Waarnemingen vanop de grond (helderheden, radiële snelheden, ...) die de ruimtewaarnemingen aanvulden, hebben ervoor gezorgd dat de oogst aan wetenschappelijke resultaten nog indrukwekkender is geworden. De Gaia missie zal niet enkel de posities van een miljard sterren meten, maar zal ook tal van andere kenmerken van de waargenomen objecten bepalen zoals afstand, beweging, helderheid, variabiliteit, en multipliciteit. Ook sterrenstelsels zullen worden waargenomen en geclassificeerd volgens kleur en morfologie. Dit zal in het bijzonder gebeuren voor zo'n 500000 quasars waarvan de coördinaten zullen toelaten het Gaia referentiesysteem vast te leggen. Verder zal het traject van kleine objecten in ons zonnestelsel worden bepaald, zowel van de gekende als van de door Gaia ontdekte. Dit laat toe objecten tijdig te detecteren die potentieel gevaarlijk zijn voor de aarde, zoals asteroïden die een baan volgen die hen regelmatig dicht bij de aarde brengt. In tegenstelling tot andere satellieten zal Gaia geen beelden opleveren. Maar de precisie waarmee de posities van sterren zullen worden gemeten is ongezien, in principe goed genoeg om vanop de aarde een 2 euro muntstuk op de maan te onderscheiden. Ook de schijnbare helderheid van alle waargenomen objecten zal gemeten worden met een precisie die in principe toelaat om het doven van één lampje in een tapijt van duizend identieke brandende lampjes te detecteren. Hierdoor wordt het mogelijk alle variaties in helderheid te bestuderen die sterren tijdens hun leven doormaken. Voor de meest heldere sterren (wel nog steeds veel zwakker dan diegenen die met het blote oog waargenomen kunnen worden vanop de grond) zal Gaia spectra meten die toelaten hun fysische kenmerken te bepalen, en vooral ook hun snelheid. Niet alleen zal Gaia dus de posities van een miljard sterren meten met de hiervoor vermelde nauwkeurigheid, maar ook zal elk van die observaties tussen de 60 en de 150 maal herhaald worden binnen een tijdspanne van 5 jaar. Deze herhaling geeft ons toegang tot de derde dimensie: in plaats van enkel een eenvoudige kaart van de hemel te maken, zoals men in de oudheid reeds presteerde, zal Gaia ook de afstand tot de sterren kunnen bepalen. Dit zal op zijn beurt toelaten bepaalde waargenomen grootheden (zoals de schijnbare helderheid) om te zetten in fysische grootheden (zoals de intrinsieke helderheid), wat de poort opent naar een astrofysische exploitatie van de rijke oogst van deze missie. Als de ster deel uitmaakt van een meervoudig systeem (twee of drie sterren in een baan rond elkaar, al dan niet met planeten), kan de modellering van de opeenvolgende observaties soms toelaten om ook de aanwezigheid van de begeleidende objecten te detecteren. In de meest gunstige gevallen zullen de trajecten van deze componenten en zelfs hun massa’s bepaald kunnen worden, een goudmijn voor sterrenkundigen.  De belangrijkste bijdrage van België aan deze missie legt zich juist toe op het modelleren

van dergelijke meervoudige systemen met de bedoeling eventuele begeleidende objecten te detecteren, zij het van stellaire of van planetaire aard. Om dit te kunnen bereiken werden computercodes ontwikkeld aan de ULB sinds 1998 (voor de voorganger van Gaia) en aan de ULg sinds 2007.  Naast deze dubbelsterren en meervoudige systemen hebben Belgische wetenschappelijke teams computercodes ontwikkeld die zullen instaan voor de verwerking van alle sterren die een variabele helderheid vertonen (KUL en KSB), van objecten uit ons Zonnestelsel, en van quasi-stellaire objecten (quasars) (ULg).  Teams van KSB, ULg en de UA dragen ook bij aan de classificatie van stellaire objecten waargenomen door Gaia en aan de bepaling van hun eigenschappen. Al deze teams zijn in min of meerdere mate verantwoordelijk voor welomlijnde modules binnen de Gaia dataverwerkingsketen.

Eerder dan een eindpunt betekent de lancering dan ook het ingaan van een nieuwe fase, namelijk die van het nu laten draaien van de computercodes op echte gegevens uit de ruimte in plaats van op virtuele. Nu start dus de laatste etappe vóór die van het eigenlijke wetenschappelijk onderzoek dat gebruik zal maken van de verwerkte gegevens van de missie. Hiervoor is er nog een extra 5 tot 6 jaar nodig. Het Gaia avontuur begon voor sommige Belgische wetenschappers reeds in 1999, toen de satelliet nog slechts in het stadium van een conceptstudie zat. De eerste Belgische Gaia bijeenkomst vond plaats in de Koninklijke Sterrenwacht (KSB) in november 1999, met als doel een samenwerking te organiseren tussen zoveel mogelijk Europese wetenschappers rond het idee van een astrometrische

satelliet, opvolger van de Hipparcos missie. Deze eerste bijeenkomst was een groot succes en leidde ertoe dat BELSPO (het Federaal Wetenschapsbeleid) financieel begon bij te dragen aan deze missie. Nog voor ESA Gaia officieel goedkeurde in 2000, had BELSPO reeds erkend hoe belangrijk dit project is voor een groot aantal wetenschappers in ons land. Dit continue engagement doorheen alle voorbije jaren zorgde ervoor dat België met een veel groter percentage medewerkers bijdraagt aan Gaia dan zijn nominale bijdrage aan ESA. Binnen de internationale Gaia gemeenschap werd het als vanzelfsprekend gevonden dat teams van ULB, ULg, KUL en KSB verantwoordelijk zouden zijn voor min of meer fundamentele delen van de dataverwerkingsketen verspreid over alle mogelijke waar te nemen objecten. Een goed voorbeeld is het feit dat een onderzoeker van het FNRS, die tewerkgesteld is aan de ULB, aan het hoofd staat van één van de negen coördinatie-eenheden (CU4) die samen DPAC uitmaken (Data Processing and Archiving Consortium), het consortium van wetenschappers die de verantwoordelijkheid hebben voor de verwerking van alle Gaia gegevens. Binnen dit consortium bekleedt België de zevende plaats (op 18) in termen van het aantal personen die geheel of gedeeltelijk hun tijd besteden aan de wetenschappelijke aspecten van deze missie. Hoewel men binnenkort alleen nog aan Gaia zal denken vanuit het perspectief van de vooruitgang in astrofysisch onderzoek, mag men niet vergeten dat deze missie ook een technologische doorbraak betekent. Hierbij zijn ook Belgische bedrijven betrokken:  zo heeft het bedrijf Amos spiegels geleverd die Gaia zullen toelaten in 2 bijna loodrechte richtingen tegelijk waar te nemen;  het bedrijf Thales Alenia Space Belgium leverde vier verdelers van elektrische energie aan boord;  Spacebel leverde de beeldverwerkingselectronica die achter de CCD detectors is geplaatst en die door filtering zal bepalen welke gegevens verdienen te worden doorgestuurd naar de grond;  Het Centre spatial de Liège (CSL) heeft een deel van de satelliet getest in omstandigheden die heel gelijkaardig zijn als in de ruimte. In totaal hebben een twintigtal private entiteiten bijgedragen aan deze satelliet. Wat brengt de betrokkenheid van België bij Gaia in een tijd waarin werk schaars is? Naast het duidelijke overwicht aan gespecialiseerde doctors in de wetenschappen, hebben de publieke onderzoeksgroepen (universiteiten en KSB) ook een aantal informatici aangeworven die van essentieel belang zijn bij dit soort ontwikkelingen. Om de geavanceerde instrumenten te kunnen ontwikkelen hebben de industriële partners een bredere waaier aan technisch geschoold personeel ingezet. Naast enkele doctors in de wetenschappen of de toegepaste wetenschappen vindt men hier ook gegradueerden en universitairen zonder thesis, allen met een lange ervaring. Ongeveer 45% van de industriële jobs die betrekking hebben op Gaia zijn niet-universitairen (tegenover 0% voor wat betreft de universiteiten en de KSB). In totaal werken ongeveer 45 personen in België aan de Gaia missie, waarvan 60% aan een universiteit of aan de KSB. Buiten de industrie wordt de meerderheid van de betrokken jobs ingenomen door vast benoemde wetenschappers. Van de anderen wordt de meerderheid gefinancierd door PRODEX (PROgramme for the Development of scientific EXperiments), een programma van ESA waaraan BELSPO bijdraagt om onderzoek en ontwikkeling in de ruimtevaart in België te ondersteunen. De totale kost voor ESA van de Gaia missie bedraagt 740 miljoen euro en beslaat de ontwikkeling, de tests, de lancering en 6,5 jaar operaties. De bijdrage van België hieraan is van de orde van 20 miljoen euro. Daarnaast hebben de ontwikkeling en de tests van de hogervermelde software voor dataverwerking een belangrijke meerkost met zich meegebracht voor de deelnemende landen. Tussen 2007 en 2013 heeft BELSPO (via het PRODEX programma) ongeveer 5 miljoen euro geïnvesteerd in de deelname van de ULB, de KUL, de ULg en de KSB aan deze inspanning, terwijl

voorbereidende activiteiten tussen 2000 en 2007 nog eens ongeveer een half miljoen euro hebben gekost. Het F.R.S.-FNRS heeft hier eveneens aan bijgedragen ter waarde van 1,5 miljoen euro sinds 2000. Intussen heeft BELSPO zopas (opnieuw via het PRODEX programma) een verdere financiering voor de jaren 2014 en 2015 goedgekeurd ter waarde van 1,6 miljoen euro voor deze teams teneinde de codes voor dataverwerking verder te optimaliseren en te testen op de eerste gegevens die Gaia zal doorsturen na zijn lancering. Nadien is ook reeds de financiering van het eigenlijke wetenschappelijk onderzoek gepland.

Links :  

http://www.cosmos.esa.int/web/gaia http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Gaia

Contacten: 

BELSPO Naam

Werner Verschueren

Adres

Federaal Wetenschapsbeleid (BELSPO) Directie Lucht- en ruimtevaarttoepassingen Louizalaan 231 1050 Brussel Tel.: +32-2-23.83.589 e-mail: [email protected] Fax.: +32-2-230.59.12



ULB Naam

Dimitri Pourbaix (FNRS)

Adres

Institut d'Astronomie et d'Astrophysique Université Libre de Bruxelles CP 226 Boulevard du Triomphe B-1050 Bruxelles Tel.: +32-2-650.35.71 e-mail: [email protected] Fax.: +32-2-650.42.26



KUL Naam

Joris de Ridder (BELSPO - ESA)

Adres

Instituut voor Sterrenkunde Katholieke Universiteit Leuven Celestijnenlaan 200D 3001 Leuven Tel.: +32-16-32.70.90 e-mail: [email protected] Fax: +32-16-32.79.99



KSB Naam

Jan Cuypers

Adres

Departement Astrofysica Koninklijke Sterrenwacht van België Ringlaan 3 1180 Brussel Tel.: +32-2-373.02.34 e-mail: [email protected] Fax: +32-2-374.98.22



ULg Naam

Eric Gosset (FNRS)

Adres

Institut d'Astrophysique et de Géophysique Université de Liège Avenue du 6 août 17 4000 Liège (Sart-Tilman) Tel.: +32-4-366.97.54 e-mail: [email protected] Fax: +32-4-366.97.46



UA Naam

Marc David

Adres

Departement Wiskunde-Informatica Universiteit Antwerpen Campus Middelheim MG 211 2020 Antwerpen Tel.: +32-3-265.33.55 e-mail: [email protected] Fax: +32-3-265.37.77