La missione di GAIA (terza parte)

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Pubblicato Lunedì, 15 Settembre 2014 05:25

Scritto da Marco Di Lorenzo

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Gaia Artist's Impression - June 2013
Credits: ESA/ATG medialab; background image: ESO/S. Brunier Gaia Artist's Impression

Nella precedente puntata abbiamo visto come si è sviluppata l'astrometria in epoca moderna e siamo infine arrivati a descrivere il lancio di GAIA.

Prima di procedere oltre nel raccontare i dettagli del lancio e della traiettoria seguita, però, è necessario capire come è fatta e quali obiettivi la missione si propone.

Il censimento galattico

Confrontiamo di seguito le caratteristiche dei cataloghi stellari più famosi:

Autore Anno Numero di stelle Precisione

Hipparco/Tolomeo 150 aC 1030 1,5 °

Ulugh Beg (Persia) 1437 dC 994 <0.7 td="">

Flamsteed (UK) 1725 3000 10-20 arcsec

Lalande (Francia) 1801 50000 3 arcsec

Schlesinger (USA) 1824 2000 10 mas

>Hipparcos (ESA) 1997 100000 1-2 mas

GAIA (ESA) 2022 1 miliardo 0,01-0,1 mas

Nel diagramma viene illustrata l'evoluzione con ulteriore dettaglio, prendendo in considerazione i cataloghi di posizione (rosso), di parallasse (verde) e quelli completi (azzurro). E' evidente l'improvvisa impennata della precisione a cavallo del 2000, essenzialmente dovuta all'astrometria spaziale.

Scopo di Gaia è quello di riuscire a costruire un catalogo completo con i dati di posizione, moto proprio, parallasse, velocità radiale, luminosità e colore per un milardo di oggetti circa. La maggior parte di essi saranno stelle appartenenti alla nostra galassia, alcune poste alla stessa distanza del nucleo galattico (8.5 kpc o 28000 anni luce), altri saranno oggetti extragalattici; inoltre, sono previste numerose osservazioni e scoperte "casuali" di oggetti appartenenti al nostro sistema solare (asteroidi e comete). Grazie alla sua sensibilità, GAIA osserverà circa mezzo milione di Quasar e, utilizzando i più luminosi tra questi, si procederà alla costruzione di un sistema di riferimento “assoluto” ICRF (International Celestial Reference Frame) nel visibile, analogo a quanto già fatto nel dominio radio con la tecnica VLBI (descritta nella precedente puntata).

Rispetto a Hipparcos, GAIA andrà molto oltre sia in termini di precisione (oltre 100 volte migliore) sia come campione esaminato (una popolazione stellare 10mila volte più ampia, 400 volte se consideriamo il catalogo Tycho), sia come completezza dei dati forniti. In pratica, fornirà la prima mappa tridimensionale di una porzione significativa della Via Lattea, rivoluzionando gli studi sull'evoluzione stellare, sui pianeti extrasolari, sulla deflessione relativistica della luce e molto altro ancora... 

 Due viste perpendicolari della regione di Via Lattea abbracciata dalle misure di parallasse di Gaia.

Il funzionamento di base

Lo strumento a bordo è essenzialmente un doppio telescopio, puntato in due direzioni perpendicolari all'asse di rotazione del satellite e distanti tra loro circa 106.5°(il cosiddetto Basic Angle); dato che il satellite compie una rotazione ogni 6 ore (traccia rossa nella figura in basso) e lo stesso asse di rotazione effettua una rivoluzione completa attorno alla direzione del Sole in 63 giorni (traccia in blu), questo permette al satellite di esplorare ripetutamente la volta celeste, osservando in media lo stesso oggetto 40-250 volte in 5 anni (in media, 72 volte).

Grazie al complesso sistema di specchi piani e curvi (10 in tutto), le immagini provenienti dai due telescopi si sovrappongono nel piano focale e questo permette di fare le necessarie triangolazioni tra oggetti distanti sulla volta celeste; tramite complessi calcoli, poi, vengono ricavate le loro coordinate in un sistema di riferimento assoluto. La “precisione astrometrica” dovrebbe essere, per stelle di magnitudine 15, circa 24 μas; questo valore cresce oltre 100 μas per le stelle più deboli, fino al limite osservabile della magnitudine 20, mentre si riduce a meno di 10 μas per le stelle più luminose, le stesse per le quali Hipparcos forniva appunto una precisione oltre 100 volte peggiore.

Schema ottico di GAIA; i due specchi principali sono indicati come M1 mentre in basso a destra c'è il piano focale. Credit: EADS Astrium

La tecnologia della "incredible machine"

In poco più di 2 tonnellate di massa, il veicolo concentra una quantità di tecnologie innovative.

Ad esempio, le ottiche del doppio telescopio sono leggerissime ma estremamente stabili, utilizzando specchi in carburo di silicio: le deviazioni complessive rispetto alla superficie ideale non superano i 50 nm.

Oltre 100 sensori CCD di immagine forniranno una “fotografia” con quasi 1 miliardo di pixel! La quantità di informazione tramessa a terra è ovviamente enorme: nonostante una compressione fatta a bordo prima della trasmissione (solo la mini-immagine di ciascuna sorgente luminosa verrà realmente inviata), si parla di 100 Gbit al giorno e svariati Peta-bytes a fine missione!

La stabilità termica richiesta sulle strutture interne (in particolare la struttura toroidale di supporto, il "Payload module" nella vista "esplosa" qui a lato) è dell'ordine di qualche decina di μK (micro-Kelvin), lo stesso livello delle oscillazioni acustiche della radiazione cosmica di fondo studiate da Plank! Un laser permetterà di misurare interferometricamente l'angolo tra le direzioni puntate dai due telescopi, essenziale per la determinazione astrometrica. Il continuo monitoraggio di questo angolo avverrà con una accuratezza migliore di 0.5 μas, corrispondente a una differenza nel cammino ottico di 1.5 pm (2 milionesimi di λ)!

L'antenna ad alto guadagno ("high gain antenna" nella figura), dovendo essere fissa per non provocare  oscillazioni e vibrazioni meccaniche inaccettabili, utilizza una tecnologia nota da anni in campo militare, un "phase-shift array" o "schiera di fase" senza parti mobili; essa è in grado di direzionare un fascio di onde radio grazie all'elettronica e ai principi di interferenza costruttiva/distruttiva.
 A bordo c'è anche un orologio atomico e la memoria di bordo ha una capienza inaudita per un veicolo spaziale: ben 1 TB.

Forte è il contributo italiano, con Alcatel-Alenia e Selex-Galileo tra i maggiori contractors. Diverse le istituzioni universitarie nazionali coinvolte, capeggiate dall'Osservatorio di Pino torinese.

Riferimenti:
- http://sci.esa.int/gaia/28820-summary/