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Objectifs, description, organisation

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

2 Sommaire Rappel du projet Traitement des données
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 Objectifs et performances

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

10 Exploration en distance pour une étoile G0V (sans extinction)
Système solaire 10 kpc 20% 10 5 2 1% 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 l'instrument et les observations

14 Propulsion (chimique)
L’instrument Couverture thermique Panneaux solaires Ø ~ 10 m Télescopes Plan focal The Gaia spacecraft is based on a modular concept. The payload module is composed of the optical bench and the focal plane assembly. The service module comprises the spacecraft structure, harness and thermal control, with electrical service module equipment, chemical and micro-propulsion, and the payload module electronics. Module de Propulsion (chimique) Module de propulsion 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 sec FOV1 sec FOV2 SM1-2 AF1 - 9 BP RP RVS 420 mm 0.69°
WFS WFS BAM BAM 930 mm sec FOV1 0s 10.6 15.5 49.5 56.3 64.1 30.1 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
(diagrammes L. Lindegren) soleil Axe de rotation Trajet de l'axe de rotation sur 4 mois 4 rev/jour Trajet du soleil sur 4 mois 45° Mouvement de l'axe de rotation Trajet de la direction de visée sur 4 jours Trajet de l'axe de rotation sur 4 jours Ciel balayé sur quatre jours Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

19 Balayage du Ciel : 2 mois Spin-axis Scan circles 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 : t 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 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 30 50 80 145 mas / an 6 10 25 40 70 115 205 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

23 II- Les Données et le traitement
le défi

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
Moyenne Typique Max 19, , x106 Nombre d'images par seconde 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 CDS : 3 PB 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 ,582, (M44 09/06, 9.8 millions de chiffres) > FLOPs. : Calcul pour la recherche des 200x 106 zeros de z(s) - > 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 II- Les Données et le traitement
Organisation du 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 Solution astrométrique
Structure d'ensemble du traitement de données Solution astrométrique Formulation relativiste Système de référence/QSOs Modèle de rotation gal. Solution Astrométrique itérative Astrométrie Attitude Calibration Meilleurs param. instrumentaux Données orbitales Vitesse radiale Éphémérides SS First Look ~ 6 mois Caractérisation astrophysique L, Teff, Fe/H .. Systèmes multiples Variabilité Système solaire Exo-planètes Spectroscopie Photométrie Etoiles secondaires Quotidien Itérations Catalogue intermédiaire Attitude de bord Identif. sources données CCD Param. d'image PSF/LSF 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 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
position PM parallaxes Vitesse radiale magnitude variabilité orbites, masses Teff , log g … Résultats finaux Traitement de données 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 Distribution sur les CUs
En juillet 2007 : 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 Les contributeurs les plus importants fr it de be uk es ch gr esac Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

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

38 Le DPAC dans la structure mission
European Space Agency Agences Nationales ESA Project Manager/Team ESA Project Scientist Data Processing Research Training Network 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 Gaia Project Scientist
Organigramme général 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 CU2 Simulation CU3 Traitement central CU4 Objets complexes CU5 photométrique CU6 spectroscopique CU7 des variables CU8 Paramètres astrophysiques DPC ESAC DPC Barcelone DPC Turin DPC Cambridge DPC Genève DPC CNES Centres de traitement des données Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

40 Gaia – Etat du projet et calendrier
1995 2000 2005 2010 2015 2020 1994 1993 1997 1998 1999 2019 2018 2017 2016 2014 2013 2012 2011 2009 2008 2007 2006 2004 2003 2002 2001 1996 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. Rousset A. Minuissi A. Recio-Blanco E. Slezak P. Tanga F. Thévenin Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard

45 Activités de l'équipe Préparation à Gaia Recherche
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

51 Les étapes de la mission
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

52 The Soyouz family Lancement 2011 Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard
The Soyuz launch vehicle is a four-stage rocket consisting of four boosters (stage I), a central core engine(stage II), a third stage (another engine), and the Fregat restartable upper stage. Each Soyuz also includes a payload adapter/dispenser and a fairing. Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard


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