In de tweede helft van de 20e eeuw rezen onoverkomelijke problemen om sterposities nog nauwkeuriger te meten. Grote boosdoener was de atmosfeer van de Aarde met zijn turbulentie. Daarnaast kenden men ook mechanische problemen zoals de invloed van de zwaartekracht gooiden roet in het eten. Met de HIPPARCOS satelliet werd het dus tijd voor astrometrie vanuit de ruimte!
Planning, lancering en baan
In 1967 werd een ruimtemissie voorgesteld door Pierre Lacroute. Eerst werd het Franse CNES bedacht om de missie te realiseren, maar deze bleek te complex en te duur en werd gestopt in 1970. Op een bijeenkomst over ruimte-astrometrie in Frascati in 1974 ontstonden nieuwe ideeën die zich materialiseerden in Hipparcos. Voor de European Space Agency was het officieel onder studie vanaf 1976 en in 1980 nam de ESA het op in haar wetenschappelijk programma. De ESA leidde en financierde het project, de voornaamste industriële partners waren Matra Marconi Space (nu EADS Astrium) en Alenia Spazio (nu Thales Alenia Space). In het Belgische Centre Spatial de Liège (CSL) werden de wetenschappelijke instrumenten en onderdelen getest en bij Advanced Mechanical and Optical Systems (AMOS, ook in Luik) werden thermische systemen gemaakt. Het Institut d'Astrophysique et de Géophysique, van de universiteit van Luik, nam deel aan het ontwerp en de constructie van experimenten aan boord van Hipparcos. De naam van deze ruimtemissie verwees naar de Griekse sterrenkundige Hipparchus (190-120 voor Christus), die ontdekte dat sterposities veranderlijk zijn.
Hipparcos, met een gewicht van 1 140 kg (waaronder 210 kg instrumenten en 463 kg brandstof voor de opduwmotor), werd gelanceerd op 8 augustus 1989 met een Ariane 4 vanaf het Centre Spatial Guyanais bij Kourou (Frans-Guyana). De wetenschappelijke missie duurde van november 1989 tot maart 1993. Op 24 juni 1993 werd de communicatie verbroken. Hij werd uitgeschakeld op 15 augustus 1993. De baan die de satelliet beschreef was een geostationaire transfer baan, waardoor de afstand tot de Aarde varieerde tussen 507 en 35 888 km. Hipparcos deed 10u40 uur over één omloop. De satelliet moest in een geostationaire baan komen, maar dat mislukte door het falen van de Franse apogeummotor. Een reddingsoperatie werd ontplooid met hulp van het European Space Research and Technology Center en het European Space Operations Centre (ESOC)(het belangrijkste grondstation nabij Darmstadt) en er werden ook meer grondstations betrokken in het project. De gegevens werden opgevangen door grondstations in Duitsland, Australië, Frans-Guyana en de Verenigde Staten van Amerika.
Door deze zeer elliptische baan was de planning en datareductie veel complexer en was er minder bruikbare waarnemingstijd (bijvoorbeeld wanneer de Aarde in beeld kwam). Bovendien vertoefde Hipparcos vaker en langer dan gepland in de schaduw van de Aarde en produceerden de zonnepanelen geen energie. Er was ook meer blootstelling aan energetische deeltjes in de stralingsgordels van de Aarde en dat leidde tot snellere slijtage van sommige systemen zoals de gyroscopen. De laatste paar maanden functioneerde hij met slechts twee gyroscopen. Plannen om zonder gyroscopen te functioneren waren beschikbaar en werden ook gebruikt.
Projectwetenschapper van 1981 tot 1997 was de jonge Michael Perryman (planetoïde 10969 Perryman). Hij richtte een team van ongeveer 200 wetenschappers op dat met hem instond voor het opstellen van de Input Catalogue, het ontvangen van de gegevens en de controle erop, voor de kalibratie van de satelliet en voor de verspreiding van de gegevens. Tijdens de wetenschappelijke fase was hij ook project manager. In 2011 kreeg hij de Tycho Brahe Prize van de European Astronomical Society.
De invoercatalogus, Inca genoemd, werd voorbereid van 1982 tot 1989 en werd geleid door Catherine Turon van het Observatoire de Paris-Meudon. De ESA schreef in 1982 een verzoek om waarneemvoorstellen uit en kreeg ongeveer 200 antwoorden. Het Inca-consortium verzamelde de 117 955 te bestuderen sterren. Elke ster in de Inca komt ook in de finale Hipparcos Catalogue voor, maar de Inca bevat ook gegevens die niet in de HIP staan. Elke ster werd gemiddeld 110 keer bekeken. In de Inca zaten 11.434 dubbelsterren en Hipparcos ontdekte er circa 3 000 nieuwe. Er was een belangrijke Belgische inbreng in de Inca. Vanaf 1980 was Jean Dommanget (°1925) coördinator voor dubbelsterren voor het Inca-Consortium en er werd gebruik gemaakt van de Catalog of Components of Double and Multiple Stars dat door hem en Omer Nys (1931 – 2007) is samengesteld. De kost van het project, dataverwerking inbegrepen, bedroeg ongeveer 600 miljoen euro (in 2000).
Opbouw en instrumenten
De satelliet bestond uit een operationeel deel en een wetenschappelijk deel, dat bestond uit de telescoop en detectoren. De Schmidt-telescoop had een diameter van 29 cm en een brandpuntsafstand van 1,4 m. Door een speciale techniek werden twee beeldvelden, die 58° uit elkaar lagen, tegelijk in focus gebracht. Meteen werden ook de onderlinge afstanden tussen objecten op grote afstand van elkaar nauwkeurig opgemeten, wat alles een consistent geheel maakt. Elk beeldveld had een afmeting van 0,9° x 0,9°. Op elk moment waren vier of vijf sterren van de Inca in beeld in de twee beeldvelden. De spiegel had een nauwkeurigheid van λ/60 bij een golflengte van 550 nm. Er werd wargenomen in het golflengtegebied van 375 tot 750 nm (zichtbaar licht). Als de spiegel zo groot was als de Atlantische oceaan, dan zou de grootste afwijking van de gewenste vorm maximaal tien cm zijn geweest.
Twee verschillende soorten detectoren werden gebruikt: een image dissector tube voor de roosters van het hoofdinstrument en een fotomuliplicator voor de roosters van de star mapper. De drie uitvouwbare zonnepanelen produceerden samen ongeveer 368 W, waarvan steeds 270 W nodig was. Via de twee S-band antennes was er een downlink met een snelheid van 24 kbit/s. Het was één van de grootste computerprojecten uit de geschiedenis van de sterrenkunde, Hipparcos heeft bijna 1 Terabit aan ruwe gegevens doorgestuurd. De rotatieas van de satelliet had een inclinatie van ongeveer 43° ten opzichte van de richting van de Zon en draaide rond de Zon in ongeveer acht weken. De satelliet draaide in 128 minuten om zijn as.
Resultaten
- Men wilde van 100 000 sterren de posities, parallaxen en eigenbewegingen opmeten met een nauwkeurigheid van 0,002 boogseconden (de primaire missie), maar slaagde erin er ongeveer 20 000 sterren bij te doen en de gemiddelde nauwkeurigheid was iets beter dan 0,001 boogseconde (1 milliboogseconde). Daarnaast werden ook helderheden en kleuren opgetekend. Van alle sterren tot ongeveer magnitude 11 (grotendeels in de banden B en V van het UBV-systeem) werden fotometrische en astrometrische gegevens verzameld (de secundaire missie, die had aanvankelijk 400 000 sterren op de planning staan).
- Een parallax met een nauwkeurigheid van 0,001 boogseconden op een afstand van 100 parsec betekent een nauwkeurigheid in afstand van 10%. De Yale Parallax Catalog uit 1995 bevat ongeveer 8.000 parallaxen die in een eeuw zijn verzameld, met in het beste geval een nauwkeurigheid tussen 0,005 en 0,01 boogseconden. De grootste parallax voor een ster is 0,772 boogseconden voor Proxima Centauri. Uit de parallax p van een ster, gemeten in boogseconden, volgt de afstand in parsec d uit de relatie d = 1/p. Eén parsec is ongeveer 3,26 lichtjaar.
- De waarnemingen bleken zo nauwkeurig dat er een bevestiging van de algemene relativiteitstheorie uit bleek: de nodige correcties voor het effect van de zwaartekracht op sterlicht liepen voor waarnemingen loodrecht op de ecliptica op tot 0,004 boogseconden.
- Twee onafhankelijke teams met samen ongeveer 100 wetenschappers deden de gegevensanalyse: het NDAC (Northern Data Analysis Consortium, geleid door Lennart Lindegren in Zweden) en FAST (Fundamental Astronomy by Space Techniques – geleid door Jean Kovalevsky in Frankrijk). In 1991 werden de eerste voorlopige catalogi gepubliceerd. Pas na een kritische vergelijking en samenvoeging van de twee analyses, ontstond de finale Hipparcos-catalogus. Deze bevat ongeveer drie sterren per vierkante graad aan de hemel. De Star Mapper was verantwoordelijk voor het volgen van sterren voor oriëntatiedoeleinden. De geregistreerde gegevens daarvan werden door het TDAC (Tycho Data Analysis Consortium – geleid door Erik Høg) geanalyseerd en vormden de Tycho-catalogus met astrometriegegevens en tweekleurenfotometrie. Het voorstel om gegevens van de Star Mapper te gebruiken kwam van de Deen Høg en de catalogus kreeg de naam van de Deense sterrenkundige Tycho Brahe (1546 - 1601).
- De Hipparcos-catalogus bevat 118.218 sterren, de Tycho-catalogus 1.058.332 sterren. De gemiddelde nauwkeurigheid in de Tycho-catalogus is 0,0025 boogseconden. Beide catalogi verschenen in juni 1997. De publicatie betekende het einde van de betrokkenheid van de ESA en de vier consortia. Van beide catalogi verscheen een bijwerking: Tycho-2 in 2000 met gegevens van 2.539.913 sterren en de Hipparcos-catalogus in september 2007. Tycho-2 vervangt volledig de Tycho-catalogus. Sterren in de hoofdcatalogus worden aangeduid met hun HIP-nummer en deze zijn onder andere te vinden in het gratis planetariumprogramma Stellarium. Het HIP-nummer van de schijnbaar helderste ster, Sirius, is 32349. Objecten in de Tycho-catalogus kregen een TYC-referentienummer. De sterren in de Hipparcos- en Tycho-1 catalogus werden gebundeld in de Millennium Star Atlas. Het combineren van de fundamentaalcatalogus FK5 (1991) met de resultaten van Hipparcos resulteerde in de FK6 (2000).
- De Hipparcos-catalogus bestaat uit 17 volumes. De eerste vier beschrijven het gebruik van de catalogus, de satelliet en de waarnemingen. De volgende vijf zijn de eigenlijke gegevens. De volumes 10 tot en met 12 bevatten gegevens over dubbel- en meervoudige sterren (alles samen 23.882 zekere en onzekere meervoudige systemen), variabele objecten (11.597 variabele sterren, waaronder 8.237 nieuwe), over objecten in het zonnestelsel (hij heeft zelfs kunnen helpen in de massabepaling van enkele planetoïden) en lichtcurves. De overige volumes bevatten onder ander kaarten en cd-roms.
- Een nauwkeurige waarde voor de afstand is onontbeerlijk om objecten goed te begrijpen. Hipparcos leverde die afstanden en daardoor konden eigenschappen als helderheid, massa, afmeting en temperatuur van nabije sterren beter bepaald worden. Hoewel de parallax door Hipparcos alleen tot afstanden van een paar honderd lichtjaar kon worden bepaald, zijn zelfs die nabije nauwkeurige waarden bepalend voor kosmologisch onderzoek. De eigenschappen van nabije 'standaardsterren' zoals Cepheïden kunnen worden overgebracht op verdere soortgenoten en geeft zo informatie over bijvoorbeeld de uitdijing van het heelal. Die bleek trager te gebeuren dan voordien aangenomen. Een ouder heelal was een oplossing voor het probleem met sterren in bolvormige sterrenhopen die voordien ouder bleken te zijn dan het heelal zelf. Zonder waarde voor de afstand kan allen gegokt worden naar de werkelijke lichtkracht van een ster. Het Andromedastelsel bleek 24% verder te staan, zo kon uit het onderzoek van Cepheïden door Hipparcos en van Cepheïden in M31 worden afgeleid.
- Uit de data bleek dat de gravitationele invloed van de omgeving van het zonnestelsel geen rechtvaardiging geeft voor de veronderstelling dat er veel donkere materie in het vlak van het Melkwegstelsel voorkomt. Het Melkwegstelsel blijkt van vorm te veranderen en een klein groepje oude sterren dat nog steeds in gelijkaardige banen beweegt vertelt iets over de vorming van het Melkwegstelsel en bij uitbreiding sterrenstelsels in het algemeen, die groeien door het samensmelten van kleinere sterrenstelsels. Verder is de snelheid van de Zon door het Melkwegstelsel vastgelegd op 220 km/s. De Zon blijft in zijn baan om het centrum steeds veilig binnen het vlak van het Melkwegstelsel, waar minder intense straling is en leven gemakkelijker kan ontstaan. In 2007 bleek uit herwerkte gegevens dat 165 sterren op enig moment in de tijd de Zon tot op een afstand van minder dan drie lichtjaar kunnen naderen. Per twee miljoen jaar mogen we een stellaire bezoeker verwachten. De ster Gliese 710 zal op minder dan 1,1 miljoen lichtjaar van de Zon komen over 1,5 miljoen jaar. Hij is nu van magnitude 9 en zal dan van magnitude 0,6 zijn. In 2010 werden twee studies gepubliceerd waarin stond dat de ster, mogelijk zelfs een dubbelster, de Oortwolk, de Edgeworth-Kuiper-gordel en zelfs de baan van Neptunus kan beïnvloeden. De verstoringen sturen mogelijk extra kometen richting Zon.
- Hipparcos toonde aan dat dubbel- en meervoudige sterren meer voorkwamen dan eerst gedacht. Van 235 dubbelsterren kon de massa van de componenten berekend worden. Arcturus is mogelijk ook een dubbelster, Hipparcos merkte een object op ongeveer 0,255 boogseconden van Arcturus op dat circa 3,33 magnituden zwakker was. Recentere onderzoeken, ook Belgisch (http://arxiv.org/abs/astro-ph/0501669 in 2005), bleven besluiteloos.
- Uit de waarnemingen bleek dat 11 597 sterren veranderlijk waren, waarbij het van 8.237 voordien onbekend was. Onder de veranderlijken onder andere 273 Cepheïden (zie Guidestar februari 2011), 186 RR Lyrae-sterren, 108 Delta Scuti-sterren en 917 bedekkingsveranderlijke sterren.
- Een uitgebreid bestudeerde open sterrenhoop is de Hyaden. De afstand is slechts 151 lichtjaar. Door ongeveer 200 afstanden tot sterren te bepalen, kon de structuur in drie dimensies en de dynamica beter bestudeerd worden. Een verbeterde schatting voor de leeftijd is ongeveer 625 miljoen jaar.
- Na tien jaar nauwkeurige waarnemingen bepaalden wetenschappers de afstand tot Atlas (in de Plejaden) op 434 tot 446 lichtjaar. Hiermee werd een controverse opgelost die ontstond nadat Europese wetenschappers door Hipparcos een veel kleinere afstand voor de Plejaden hadden vooropgesteld, namelijk ongeveer 391 lichtjaar.
- Hipparcos stelde een nauwkeurig referentiekader op, dat bij hedendaagse waarnemingen nog wordt gebruikt door aardse telescopen en door navigatiesystemen van satellieten en ruimtesondes. Door dat referentiekader konden vele onderzoeken, soms van meer dan een eeuw geleden, aan elkaar gelinkt worden. Het is de optische tegenhanger van het International Celestial Reference System (ICRS).
- Jaren na de ontdekking van de eerste exoplaneet in 1995 konden wetenschappers bovengrenzen voor enkele massa's vastleggen, een bonus gepuurd uit de waarnemingen van Hipparcos. In 1999 vonden sterrenkundigen dat Hipparcos op 17 april 1991 als eerste de schaduw van een extrasolaire planeet heeft waargenomen: de ster in Pegasus is bekend als HIP 108859 of ook als HD 209548.
- In het Belgisch onderzoek komen vele namen voor waaronder Conny Aerts en Christoffel Waelkens van het Institute for Astronomy van de Katholieke Universiteit Leuven en sterrenkundigen van de Koninklijke Sterrenwacht van België zoals Patricia Lampens. Het Institut d'Astronomie et d'Astrophysique, het departement van de Université Libre de Bruxelles dat zich bezighoudt met sterrenkundig en astrofysisch onderzoek, heeft gegevens van Hipparcos herwerkt. Uit Luik zijn onder andere J. Manfroid en C. Jamar betrokken.
- Twee Amerikaanse satellieten die voor opvolging konden zorgen, werden voorgesteld maar de Full-sky Astrometric Mapping Explorer werd geschrapt in 2002 en de SIM Planet Quest onderging hetzelfde lot in 2010. Het is Europa zelf die voor opvolging zorgt met de Global Astrometric Interferometer for Astrophysics (Gaia). De nauwkeurigheid in de posities zal zo'n 1.000 keer beter zijn (1 microboogseconde) en dat voor 10.000 keer zoveel sterren. Door de grote diversiteit aan mogelijke onderzoeken effende Hipparcos het pad voor Gaia, die op 19 december 2013 werd gelanceerd. Gaia zal ongeveer 1% van alle sterren in het Melkwegstelsel nauwkeurig opmeten.
Meer info:
Duizenden wetenschappelijke artikels zijn gebaseerd op waarnemingen van Hipparcos. Een zeer gedetailleerd overzicht van wetenschappelijke publicaties van 1997 tot 2007 werd in 2009 gepubliceerd in het boek "Astronomical Applications of Astrometry: Ten Years of Exploitation of the Hipparcos Satellite Data" van Perryman en is uitgegeven bij Cambridge University Press. In het Astrophysics Data System staan van 1996 tot mei 2014 4.560 artikels gebaseerd op Hipparcos. De topjaren waren 1998, 1997 en 1999, met 516, 475 en 460 publicaties. Het aantal dook in 2007 voor het eerst onder de 200 per jaar, maar bleef tot en met 2013 boven de 100.
- HIPPARCOS overview: http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Hipparcos_overview
- The HIPPARCOS Space Astrometry Mission: http://www.rssd.esa.int/index.php?project=HIPPARCOS
