En sekvens av bilder tagna som en del av den markbaserade optiska spårningskampanjen av ESA:s Gaia-satellit med European Southern Observatorys (ESO) 2,6-meters VLT Survey Telescope (VST) i Chile. Stjärnorna på bilden ser ut som något långsträckta, eftersom teleskopet följer Gaia snarare än stjärnorna. Observationerna har staplats med hjälp av stjärnorna som referens för att visa Gaias rörelse över himlen. Kredit:ESO, CC BY 4.0
Medan ESA:s Gaia-uppdrag har undersökt mer än en miljard stjärnor från rymden, astronomer har regelbundet övervakat satellitens position på himlen med teleskop över hela världen, inklusive European Southern Observatory i Chile, för att ytterligare förfina Gaias omloppsbana och i slutändan förbättra noggrannheten i dess stjärnräkning.
Ett år sedan, Gaia-uppdraget släppte sin efterlängtade andra uppsättning data, som inkluderade högprecisionsmätningar – positioner, avståndsindikatorer och riktiga rörelser – av mer än en miljard stjärnor i vår galax Vintergatan. Katalogen, baserat på mindre än två års observationer och nästan fyra års databearbetning och analys av ett samarbete mellan cirka 450 forskare och mjukvaruingenjörer, har möjliggjort transformationsstudier inom många områden av astronomi, genererat mer än 1 000 vetenskapliga publikationer under de senaste tolv månaderna.
Under tiden i rymden, Gaia fortsätter att skanna himlen och samla in data som håller på att knäckas för framtida releaser för att uppnå ännu högre precision på stjärnornas position och rörelse och möjliggöra allt djupare och mer detaljerade studier av vår plats i kosmos. Men för att nå den noggrannhet som förväntas för Gaias slutliga katalog, det är avgörande att lokalisera satellitens position och rörelse från jorden.
För detta mål, flygdynamikexperterna vid ESA:s operationscenter använder sig av en kombination av tekniker, från traditionell radiospårning och räckvidd till samtidig observation med två radioantenner – den så kallade delta-DOR-metoden. I ett unikt och nytt tillvägagångssätt för ESA, den markbaserade spårningen av Gaia inkluderar också optiska observationer från ett nätverk av medelstora teleskop över hela planeten.
European Southern Observatorys (ESO) 2,6-meters VLT Survey Telescope (VST) i Chile registrerar Gaias position på himlen under cirka 180 nätter varje år.
Konstnärens intryck av rymdfarkosten Gaia. Kredit:ESA/ATG medialab
"Det här är ett spännande samarbete mellan mark och rymd, använda ett av ESO:s teleskop i världsklass för att förankra de banbrytande observationerna av ESA:s miljarder stjärnmätare, säger Timo Prusti, Gaia-projektforskare vid ESA.
"VST är det perfekta verktyget för att välja ut Gaias rörelse, " tillägger Ferdinando Patat, chef för ESO:s kontor för observationsprogram. "Att använda en av ESO:s förstklassiga markbaserade anläggningar för att stärka banbrytande rymdobservationer är ett bra exempel på vetenskapligt samarbete."
Dessutom, det två meter långa Liverpool-teleskopet som ligger på La Palma, Kanarieöarna, Spanien, och Las Cumbres Optical Global Telescope Network, som driver tvåmetersteleskop i Australien och USA, har också observerat Gaia under de senaste fem åren som en del av kampanjen Ground Based Optical Tracking (GBOT).
"Gaia-observationer kräver en speciell observationsprocedur, " förklarar Monika Petr-Gotzens, som har koordinerat utförandet av ESO:s observationer av Gaia sedan 2013. "Rymdfarkosten är vad vi kallar ett 'rörligt mål', eftersom det rör sig snabbt i förhållande till bakgrundsstjärnor – att spåra Gaia är en stor utmaning!"
På dessa bilder är Gaia bara en ljuspunkt bland de många stjärnorna som satelliten själv har mätt, så noggrann kalibrering behövs för att omvandla denna mängd observationer till meningsfulla data som kan inkluderas i bestämningen av satellitens omloppsbana.
Gaias himmelsvy över vår Vintergatans galax och närliggande galaxer, baserat på mätningar av nästan 1,7 miljarder stjärnor. Kartan visar den totala ljusstyrkan och färgen på stjärnor som observerats av ESA-satelliten på varje del av himlen mellan juli 2014 och maj 2016. Ljusare områden indikerar tätare koncentrationer av särskilt ljusstarka stjärnor, medan mörkare områden motsvarar fläckar på himlen där färre ljusstarka stjärnor observeras. Färgrepresentationen erhålls genom att kombinera den totala mängden ljus med mängden blått och rött ljus som registrerats av Gaia i varje fläck på himlen. Den ljusa horisontella strukturen som dominerar bilden är det galaktiska planet, den tillplattade skivan som är värd för de flesta stjärnorna i vår hemgalax. I mitten av bilden, det galaktiska centrumet verkar levande och kryllar av stjärnor. Mörkare områden över det galaktiska planet motsvarar förgrundsmoln av interstellär gas och stoft, som absorberar ljuset från stjärnor som ligger längre bort, bakom molnen. Många av dessa döljer stellar plantskolor där nya generationer av stjärnor föds. Utspridda över bilden finns också många klotformade och öppna hopar – grupperingar av stjärnor som hålls samman av sin inbördes gravitation, såväl som hela galaxer bortom vår egen. De två ljusa objekten i det nedre högra hörnet av bilden är de stora och små magellanska molnen, två dvärggalaxer som kretsar runt Vintergatan. Kredit:ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO
Detta krävde att man använde data från Gaias andra release för att identifiera stjärnorna i var och en av bilderna som samlats in under de senaste fem åren och beräkna satellitens position på himlen med en precision på 20 millibågesekunder eller bättre (en bågsekund motsvarar storleken på en Euro mynt sett från ett avstånd av cirka fyra kilometer).
"Detta är en utmanande process:vi använder Gaias mätningar av stjärnorna för att kalibrera Gaia-rymdfarkostens position och i slutändan förbättra dess mätningar av stjärnorna, " förklarar Timo.
De markbaserade observationerna ger också nyckelinformation för att förbättra bestämningen av Gaias hastighet genom rymden, som måste vara känd med en precision av några millimeter per sekund. Detta är nödvändigt för att korrigera för ett fenomen som kallas ljusaberration – en uppenbar förvrängning i riktningen för inkommande ljus på grund av den relativa rörelsen mellan källan och en observatör – på ett sätt som liknar att luta sitt paraply när man går genom regnet.
"Efter noggrann och långvarig databehandling, vi har nu uppnått den noggrannhet som krävs för att de markbaserade observationerna av Gaia ska kunna implementeras som en del av omloppsbestämningen, säger Martin Altmann, ledare för GBOT-kampanjen från Astronomisches Rechen-Institut, Centrum för astronomi vid Heidelbergs universitet, Tyskland, som arbetar i nära samarbete med kollegor från Paris Observatory i Frankrike.
GBOT-informationen kommer att användas för att förbättra vår kunskap om Gaias bana, inte bara i kommande observationer, men också för all data som har samlats in från jorden under de tidigare åren, vilket leder till förbättringar av dataprodukterna som kommer att inkluderas i framtida utgåvor.
