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

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 1

La Mission GAIALa Mission GAIA

Objectifs, description, organisationObjectifs, description, organisation

--------

F. MignardF. Mignard

OCA/CassiopéeOCA/Cassiopée

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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

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I- Le Projet

Objectifs et performances

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 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.

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 5

La renaissance de l'astrométrie

1 mas

1 µas10

100

10

100

1 as

10

100

1000Hipparchus

1 µas10

100

1 mas

10

100

1 as

10

100

1000

1400 1500 1700 1900 2000 21000 1600 1800

Ulugh Beg

Wilhelm IVTycho Brahe

HeveliusFlamsteed

Bradley-Bessel

FK5

Hipparcos

GAIASIM

1400 1500 1700 1900 2000 21000 1600 1800

ICRF

GCNaked eyetelescopes

2000 yrs - 4.5 dex

20

yrs

4.5

dex

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 6

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

L'Astrométrie pour l'Astrophysique

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 7

Gaia : Le Contexte

• 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

• Le précurseur : HIPPARCOS (ESA)

Précision 1 mas ~ 5 c à 1000 km

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 8

• 109 étoiles

• 25 µas @ V = 15 mag

• Photométrie ( ~ 25 bandes)

• Vitesse radiale

• Spectro basse résolution

Mission ESA

Lancement : 2012

Mission : 5 ans

G A I A

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 9

Systèmes stellaires

Systèmes Référence

Physique fondamentale

Structu

re ga

lactiq

ue

Systèm

e sola

ire

Physique stellaire

Qua

sars

& g

alax

ies

Exo-planètes

La Science avec Gaia

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 10

Exploration en distance pour une étoile G0V (sans extinction)

Système solaire

10 k

pc

Credit: ESA/NASA/CFHT/NOAO

1%2 5 10 20%

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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, = 10 µas

■ 01-05/02 Version révisée et allégée; sélection confirmée (SPC)

Soyuz, = 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

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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

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I- Le Projet

l'instrument et les observations

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 14

Panneaux solaires

Ø ~ 10 m

Télescopes

Plan focal

L’instrument

Couverture

thermique

Module de

propulsion

Antenne (1 Mbit/s)

Module de

Propulsion (chimique)

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 15

• 2 telescopes à optique hors-axe• 1.45 x 0.5 m2 d'ouverture• 35 m de distance focale

• plan focal unique• 106 CCDs• 1 Gigapixel• 0.93 x 0.42 m2

Gaia : télescopes et détecteur

106.5 deg

M4M'4

Recombinaison des faisceaux

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 16

SM1-2 AF1 - 9 BP

420 mm0.69°

RP

RVS

BAM

BAM

WFS

WFS

0s 10.6 15.5 49.5 56.3 64.130.1

0s 5.8 10.7 44.7 51.5 59.325.3

sec

secFOV1

FOV2

930 mm

Plan Focal

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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

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 18

soleil

Axe de rotation

Trajet de l'axe de rotation sur 4 mois

4 rev/jour

Trajet du soleilsur 4 mois

45°

Mouvement de l'axe de rotation

Gaia : Balayage

Trajet de la direction devisée sur 4 jours

Trajet de l'axe de rotation sur 4 jours

Ciel balayé sur quatre jours

(diagrammes L. Lindegren)

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 19

Sun

Spin-axis

Animation : L. Lindegren

Scan circles

Balayage du Ciel : 2 mois

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 20

Soyuz/Fregat lancement depuis Kourou

~1 moisOrbite de transfert vers L2

Orbite de Lissajous autour de L2

~1 correction d'orbite par mois

5 - 6 ans d'observation(presque) continue

Gaia lancement et orbite(credit: EADS Astrium)

Barycentre Terre-Lune, a = 1 ua

L2, a = 1.01 ua

Ligne Soleil-T

erre

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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

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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 as

Mouvement propre 5 7 11 18 30 50 80 145 as / an

Position @2015 6 10 16 25 40 70 115 205 as

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II- Les Données et le traitement

le défi

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 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

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 25

Volume de données : estimation rapide

■ 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

Moyenne Typique Max19,000 110,000 2.3x106

Nombre d'images par seconde

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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

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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 (s)

- > 20000 PCs distribués

■ 1021 FLOPs. : plus gros calcul fait à ce jour (Projet SETI)

Résultat : 1 bit ( OUI ou NON ils nous écoutent !)

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II- Les Données et le traitement

Organisation du traitement

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 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

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 30

Structure d'ensemble du traitement de données

Spectroscopie

Photométrie

Etoiles secondaires

CaractérisationastrophysiqueL, Teff, Fe/H ..

Systèmes multiples

Variabilité

Système solaire

Exo-planètes

Itérations

Catalogue intermédiaire

Attitude de bordIdentif. sources

données CCD

Param. d'image PSF/LSF

Solution astrométrique

Formulation relativiste

Système de référence/QSOs

Modèle de rotation gal.

SolutionAstrométrique

itérativeAstrométrie

AttitudeCalibration Meilleurs param.instrumentaux

Données orbitales

Vitesse radiale

Éphémérides SS

First Look

Quotidien

~ 6 mois

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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

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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

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 33

La mission et le DPAC

Télémétrie

positionPMparallaxesVitesse radialemagnitudevariabilitéorbites, masses

Teff , log g …

……

Résultats finauxTraitement de données

Acquisition des données

DPAC

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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

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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

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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

Les contributeurs les plus importants

fr it de be uk es ch gr esac

82 62 28 23 26 21 13 9 14

Distribution sur les CUs

CU1 CU2 CU3 CU4 CU5 CU6 CU7 CU8 total

34 67 69 58 55 50 46 64 443

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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

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 38

Le DPAC dans la structure mission

Industriel

ESA Project Manager/Team

ESA Project Scientist

Sous-traitants

AgencesNationales

Gaia Science Team

Data Processing

European Space Agency

Research Training Network 2006-2010

Communauté Scientifique

”Gaia People Finder” recense environ 500 personnes (excluant l'industrie)

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 39

Organigramme général

■ Pas de relation simple : une CU un DPC

Gaia Science Team Gaia Project Scientist

Gaia Project Team

DPACE

CU1

Architecturedu système

CU2

Simulation

CU3

Traitementcentral

CU4

Objetscomplexes

CU5

Traitementphotométrique

CU6

Traitementspectroscopique

CU7

Traitementdes variables

CU8

Paramètresastrophysiques

DPCESAC

DPCBarcelone

DPCTurin

DPCCambridge

DPCGenève

DPCCNES

Centres de traitement des données

Unités de Coordination

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 40

Aujourd'hui

Gaia – Etat du projet et calendrier

PropositionConcept & Etude Technologique

Selection de la Mission

Phase de réévaluation

Phase B1

Sélection de l'industriel (EADS Astrium)

Phase B2Phase C/D

Opéeration Scientifique

Lancement 2011-Dec-01

Final

Etudes

Développement des logiciels

Traitement des données de la Mission

Implémentation

Traitement des données

Définition

Opération

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

Produits de la MissionIntermédiaire

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III- Gaia en France et à l'OCA

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Gaia - JSOCA - Nov 2007 – F. Mignard 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)

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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

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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. MauduitF. Martel (S. Mouret)F. Mignard A. Morbidelli SupportC. Ordenovic R. HollandeB. Pichon S. GolettoS. Rousset A. Minuissi A. Recio-Blanco E. SlezakP. TangaF. Thévenin

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Activités de l'équipe

■ Préparation à GaiaOrganisation de la mission et coordination DPACNœud 'NICE' du réseau Européen ELSA Responsabilité de la participation Française

Paramètres stellairesObjets du système solaireModélisation astrométrique, échelle de temps, éphéméridesSystème de référenceTests de la relativité Imagerie à petit champsEtoiles variables

■ RechercheAtmosphères stellairesPhysique stellaire et galactiquePlanétologie

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Fin

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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

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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

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Fonctionnement du TDI

Animation : J. Portell

■ 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

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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, = 10 µas

■ 01-05/02 Version révisée et allégée; sélection confirmée

(SPC)

Soyuz, = 15 µas

■ 2004 Second descoping

100 CCDs, = 20 µas (24 µas in MRD avec marges)

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Les étapes de la mission

■ 2001-05 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

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The Soyouz family

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