Robots exploradores: el proyecto Gaia

Dimecres 9 d’abril va venir Jordi Torra, catedràtic del Departament d’Astronomia i Meteorologia, de la UB, per parlar-nos de Robots exploradors. Concretament de la Missió Gaia, que va enlairar-se el 19 de desembre passat. Gaia és una missió de l’ESA, dirigida a produir el mapa 3D més exacte de la Via Làctia fins ara i que pot revolucionar l’astrofísica per la seva precisió. Què ens explicarà de la nostra galàxia? Com rebrem la informació de tant lluny?

Què és Gaia?

Gaia vol determinar, en primer lloc les posicions, moviments i distàncies de mil milions d’estrelles. A més determinarà temperatures, masses i edats de tots aquests objectes. També observará des de asteroides del Sistema Solar a quàsars molt distants. Tots el objectes fins a magnitud 20, que és molt baixa. Per a les estrelles s’arribara fins els 50000 anys llum
de distància.

El nom de Gaia, ve de l’acrònim Global Astrometry Interferometer for Astrophysics. El nom li ve perquè el satèl·lit duu dos telescopis a bord, però ja no els mesura per interferometria. Tot i així, va mantenir el nom; perquè juga, també, amb el nom de la deessa Gaia, que va fer servir Lovelock per  ala seva hipòtesi. Però, per a què serveix conèixer la galàxia?

Antecedent: Hipparcos

Hipparcos va ser l’antecedent de Gaia, un satèl·lit que va voler estudiar l’entorn estel·lar de la galàxia. Va mesurar cent-vint mil estrelles (120.000), calculant la distància a elles en milisegons d’arc. Gaia, les mesurarà en microsegons d’arc.

Mode enginyeria

Gaia és un satèl·lit que carrega instruments precisos i rigorosos, ha estat fabricat amb molta cura. Però, per a poder-lo posar en òrbita, cal plegar-lo, posar-lo dins un coet i proporcionar-li una forta estampida per tal que arribi fora de l’atmosfera. Després d’aquest xoc, el satèl·lit i els instruments que duu s’han de recol·locar. Cal reajustar les mesures, els moviments; estabilitzar el giny.

Hi ha una part electrònica, impulsada per panells solars, responsable de les càmeres. Hi ha uns coets que, controladament, permetran maniobrar el satèl·lit des de la Terra, per recol·locar-lo. Hi ha una altra mena de coets que generen moviments de rotació continus, per tal que les càmeres fotografiïn entre setanta i cent vegades cada estrella.

Totes les imatges seran preses en un pla focal per 106 càmeres CCD, com dels nostres telèfons. Només que els telèfons capturen amb vuit milions de píxels, mentre que les de Gaia ho faran amb mil milions de píxels. El moviment de rotació, que dura unes sis hores, ha d’estar sincronitzat amb el moviment de càrrega de les càmeres, i ha d’identificar cada estrella, per comparar després les imatges que pren de cadascuna. Imatges que, de fet, són pel·lícules.

Un excés d’informació

Per ara, no hi ha antena que pugui rebre cent vídeos alhora, uns 50 GB diaris. A més, des d’un dispositiu que no pot ser mòbil; sinó que ha d’estar sincronitzat amb la rotació de la Terra. L’equip de Jordi Torra ha treballat en la interpretació de dades, d’una base de dades que ocupa de l’odre de 10 a la 15 bytes, és a dir, petabytes.

Una quantitat tan gran d’informació, codificada en binari i amb molts decimals per tal de no perdre la informació, s’ha d’auto organitzar, ja que sinó és impossible de trobar el que es vol. Si no s’hagués garantit la possibilitat d’estructurar la informació, no s’hagués pogut dur a terme el projecte, ja que la informació depurada ocuparà uns 50.000 llibres. Jordi ho compara al genoma humà.

La gestió de la informació

Fins ara, Gaia ha enviat 400 milions de d’observacions. I, com reenvia la informació dels mateixos astres diverses vegades, es recalcula en un procés iteratiu. Així que, a mesura que avanci la missió, la informació i el sistema s’aniran refinant. I les dades seran públiques, tant les dades parcials com les finals. Per això, la programació és en Java, que és independent de la plataforma (l’ordinador) on es treballa.

Aquest procés es pot fer a Barcelona, perquè tenim el supercomputador Marenostrum. Aquesta màquina és com si 40.000 processadors de computadores personals treballessin alhora. Ara, amb la informació de Gaia, un 25% de la capacitat de Marenostrum haurà de treballar durant 24h en períodes de tres setmanes. De moment, a Barcelona ja es fan simulacions sense el satèl·lit. Però no només calcula Marenostrum, hi ha cinc centres de càlcul europeus que també hi participen.

La correcció de temps

Gaia té un rellotge atòmic que mesura nanosegons i està corregit amb un retard de cinc segons en la recepció del senyal, ja que el satèl·lit està situat a 1,5 milions de km de distància de la Terra, i és el temps que triga la llum en arribar.

Aquesta distància és el punt de Lagrange, un punt d’equilibri entre la Terra i Mart. Un satèl·lit com Gaia ha d’estar a una distància suficient de la Terra, per no veure’s influït per la Lluna i la seva òrbita; els eclipsis i l’ombra; el cinturó de van Allen, les tempestes solars de la magnetosfera… Ha estat enviat, doncs, a cinc vegades la distància entre la Terra i la Lluna.

Mode segur

A Gaia se li donen instruccions des de la Terra; ara bé, n’hi ha que no les accepta i el sistema entra en mode segur. Aquest és el cas en què, per exemple, se li doni la ordre de fotografiar el Sol. No ho faria. La seguretat arriba a fer una rèplica de Gaia a la Terra, a veure com es comporta.

Un gran equip

L’equip que treballa en el projecte Gaia és de més de mil persones que treballen conjuntament. Un centenar d’enginyers han construït el satèl·lit, l’aparell, les antenes emissores i les receptores; un altre centenar preparen els sistemes de la Terra.

El projecte està dirigit per un comitè format pels països que hi participen; i té dos caps, un project manager, que coordina els enginyers; i, un science manager, que coordina el comitè científic. Entre els participants, els fluxos de documents, mails, fotos; converses per skype, teleconferència, telèfon són nombrosíssims. Les dades han d’estar normalitzades, per treballar de forma coordinada.

Mode science

A partir de juny, s’espera que Gaia ja estigui reestructurada i pugui passar a mode science. Ha necessitat sis mesos per estabilitzar els aparells sensibles i precisos a una temperatura de -150ºC.

Quan es va començar a pensar en Gaia?

De fet, des del 1995 se’n parla, poc després del projecte Hipparcos. Perquè aquesta missió va estudiar estrelles prop del Sistema Solar. Des de l’any 2000, quan es van fer les primeres simulacions, que a partir del 2009 les màquines tindrien suficient capacitat per a fer factible la missió.

L’abast de la missió

Gaia ens permetrà obtenir informació fins una mica més enllà del centre de la nostra galàxia. Ens donarà informació d’un 1% de les estrelles de la galàxia. Una xifra obtinguda a partir d’estimes fetes de densitats estel·lars, ja el segle XVIII.

Gaia està programat per ser útil fins al 2020. Si tot va bé, aleshores entrarà en una òrbita d’aparcament i pot seguir una destrucció. Després de la missió, es creu que els científics tindran quinze anys de feina, organitzant i analitzant les dades. La interpretació posterior de les dades rebudes pot durar més anys encara.

Una nova forma de mirar l’Univers

De l’univers ens quedarà molt encara per saber, ja que, si a principis de segle es pensava que l’Univers estava format per una galàxia, avui coneixem que en té 10 elevat a 11. (100.000.000.000 galàxies).

El projecte Gaia permetrà veure, per exemple, el Cúmul de les Plèiades, segons una física relativista més que einsteniana. Una nova forma de mirar l’Univers, que tindrà un impacte en totes les branques de l’astrofísica.

El cost

Construir, enviar i mantenir Gaia, incloses les despeses generals, ha costat uns 740 milions d’euros. Gaia va ser enviada amb un coet Soyuz, que és més barat (d’entorn tres-cents milions d’euros) i lleuger que un Ariane (d’entorn cinc-cents milions d’euros). Hi falta els sous dels científics, que poden ser 300 milions d’euros més.

Ara, hi ha qui diu que el retorn de la inversió en astrofísica és de 7€. En Jordi, ens diu que, si només retornessin dos euros per cada un invertit, ja seria una bona inversió. Sense comptar l’aprofitament de les dades que s’obtindran. La telefonia, l’estabilitat dels aparells, els materials…

Una altra cosa és el retorn per la inversió de cada país. El retorn industrial es calcula entre 7 i 60€. Així que, atès que Espanya ha invertit el 10% de la missió, el retorn serà rendible.

Jordi, com vas arribar a participar en la missió Gaia?

De petit m’agradava mirar els satèl·lits artificials donant voltes entorn de la Terra. Però després volia fer medicina o filosofia. Finalment em vaig matricular en físiques; volia estudiar materials nuclears. Vaig caure en astrofísica i vaig fer una tesi sobre cinemàtica estel·lar. Per això, vaig poder participar en el projecte Hipparcos. Quan em sento pessimista, penso que només sóc pols d’estels, prop d’una estrella vulgar, que té moltes de similars. Quan estic optimista, penso que és molt bonic viure entre tanta bellesa.