Entrevista a Lennart Lindegren

Lennart Lindegren donant una xerrada sobre principis d’astrometria a la reunió “The science of Gaia and future challenges” a Lund, Suècia el 30 d’agost de 2017.

Avui, 30 d’agost de 2017, ha començat a Lund, Suècia, una reunió de tres dies denominada “The science of Gaia and future challenges”. A més de les xerrades i discussions científiques i tècniques, la reunió també commemora la jubilació de Lennart Lindegren, una de las persones que més ha contribuït a la missió Gaia.

L’entrevista va ser realitzada per Stefan Jordan, de Heidelberg, Alemanya.

Lennart, la reunió científica de tres dies a Lund, Suècia, que commemora la teva jubilació es denomina „The science of Gaia and future challenges“. Abans d’anar a la ciència actual i futura de Gaia, pots dir-nos per què una missió com Gaia és tan important per a la astronomia?

Lennart Lindegren: Com a tota la ciència, el progrés en astronomia està marcat per la interrelació entre teoria i observació. Aquesta interrelació pot prendre diferents formes. Una d’elles és que observacions més bones produeixen dades més precises, que permeten als astrònoms comprovar i millorar els sus models teòrics. Per exemple, Gaia proporcionarà distàncies molt precises a estrelles en diversos estadis de la seva evolució. Això permetrà als astrònoms calcular la producció total d’energia a les estrelles, i comparar-la amb les prediccions teòriques. En darrera instància, proporcionarà un millor enteniment del cicle de vida de les estrelles. En aquest exemple n’hi podria haver prou estudiant uns pocs milers d’estrelles ben escollides. Però aquí sorgeix un altre aspecte important de Gaia: com podem saber quines estrelles són més interessants d’estudiar? Per això necessitem primer mirar totes les possibles candidates, que és el que Gaia farà. Explorant tots els objectes a l’abast del seu telescopi, Gaia proporciona dades que no són esbiaixades per les nostres idees preconcebudes sobre què és important i què no. Un tercer aspecte important és que els astrònoms trobaran nous i inesperats patrons a les dades, descobriments que finalment duran a un coneixement més profund de l’univers.

Vas estar implicat en el predecessor de Gaia, HIPPARCOS, un satèl·lit que va mesurar la posició, moviments i distàncies de més de 100.000 estrelles, entre els anys 1989 i 1993. Pots explicar-nos quina va ser la teva feina en aquella missió?

Lennart Lindegren: El 1976, quan encara era un estudiant de doctorat a Lund, em vaig involucrar a  HIPPARCOS gràcies a Erik Høg, de Copenhagen, qui aleshores era de facto el meu director de tesi. El desafiament de l’anàlisi de les dades de la futura missió i algunes qüestions sobre l’optimització del satèl·lit van captar immediatament el meu interès. Des de 1980, quan HIPPARCOS va ser aprovat per l’ESA, vaig treballar amb col·legues al Regne Unit i a Dinamarca a la preparació del NDAC, un dels tres consorcis d’anàlisi de dades de  HIPPARCOS, i el 1990 vaig substituir a Erik com a líder del NDAC.

Quin creus que va ser l’impacte més gran que va tenir el catàleg HIPPARCOS a l’astronomia?
Lennart Lindegren: L’astrònom holandès Adriaan Blaauw va comparar  HIPPARCOS amb un aspirador gegant. M’agrada força aquesta imatge: d’una gran escombrada, el catàleg eliminà gran quantitat de pols i teranyines que es van anar acumulant a l’astronomia durant més d’un segle. Amb això em refereixo als errors sistemàtics en les posicions, moviments i paral·laxis de les estrelles que havien impedit als astrònoms obtenir el màxim benefici dels nous i potents telescopis que estaven operatius en aquella mateixa època. La aspiració va deixar un terra sòlid i net per a futurs avenços .

Quina va ser la teva motivació per a involucrar-te en un altra missió astromètrica desprès d’HIPPARCOS?

Lennart Lindegren: HIPPARCOS va ser un experiment únic a la seva època. Ningú no havia fet mai res remotament semblant, i vaig ser molt afortunat d’haver-ne format part. Alhora ens vam adonar que podia ser tan sols  l’inici d’un desenvolupament molt més ambiciós. Alguns de nosaltres estàvem neguitosos per explorar aquestes possibilitats i assegurar que HIPPARCOS no quedés com una singularitat. Com sempre, probablement jo em trobava més motivat pels desafiaments tècnics i metodològics d’una nova missió que per la ciència que podria produir.

Tan aviat com HIPPARCOS va finalitzar les seves mesures, tu i els teus col·legues vau fer les primeres propostes per a una nova missió. Pots explicar quines foren les teves idees i com van quedar respecte al disseny final de Gaia?

Lennart Lindegren: A principis dels 1990s, quan  HIPPARCOS encara estava enviant dades a terra, les càmeres digitals (detectors CCD) ja s’usaven al Telescopi Espacial Hubble, i a terra estaven revolucionant la manera en com els astrònoms feien servir els seus telescopis. En canvi, HIPPARCOS es basava en l’antiga tecnologia dels fotomultiplicadors, dissenyada una dècada abans, quan les CCD simplement no eren suficientment bones per aquest propòsit. Tot i que els fotomultiplicadors van fer una bona feina per a HIPPARCOS, eren molt menys eficients que les CCD i només podien observar una única estrella cada vegada. Per tant al voltant de 1993 estava clar que es podia anar més enllà d’HIPPARCOS simplement reemplaçant els vells detectors per l’última tecnologia. Però per a augmentar realment la precisió d’una nova missió seria necessari també tenir un telescopi més gran. Un dels errors que vam cometre llavors fou pensar que una forma barata d’incrementar la mida del telescopi era fe servir únicament les parts més externes del mirall del telescopi, el que s’anomena interferòmetre de Fizeau. D’aquí el nom original de GAIA, un acrònim de “Global Astrometric Interferometer for Astrophysics”. El concepte inclús proposava dos d’aquests interferòmetres, connectats en una estructura extremadament estable. Mirant enrere sembla horriblement complicat i probablement no funcionaria. Afortunadament aviat es va adoptar una configuració molt més simple. La missió encara es diu Gaia, però com que no hi ha un interferòmetre, el nom no s’escriu en majúscules. El disseny original (interferomètric) pretenia mesurar aproximadament els 50 milions d’estrelles més brillants, mentre que la missió Gaia real observa objectes que són cent vegades més febles, assolint entre 20 i 30 vegades més estrelles. La precisió projectada, al voltant de 20 micro-segons d’arc a magnitud 15, és encara la mateixa que a la proposta original. Hauria d’afegir que Gaia no seria possible sense els avenços en la tecnologia de computació des de HIPPARCOS. Tant la manipulació de les dades a bord com el subsegüent anàlisi de les dades haurien sigut quasi totalment impossibles amb els ordinadors dels 1980s.

Ets el pare intel·lectual del mètode per a determinar les posicions estel·lars, els moviments i las paral·laxis (mesures de la distància) a partir de les mesures individuals del satèl·lit Gaia. Pots explicar-nos de una forma simple com funciona la Solució Astromètrica Iterativa Global (Astrometric Global Iterative Solution) AGIS?

Lennart Lindegren: La idea és construir primer una xarxa de potser 10 milions d’estrelles, cobrint totalment l’esfera celeste. Són les anomenades fonts primàries. Al final, totes les estrelles, asteroides i galàxies observats per Gaia es vinculen a aquesta xarxa. En qualsevol instant, la càmera digital de Gaia “veu” una petita part del cel, que conté uns pocs centenars de fonts primàries, i les seves localitzacions al sistema de referència de la càmera es poden  determinar. Per a construir la xarxa, totes les posicions de les fonts primàries han de ser combinades al ordinador. El problema és que aquestes posicions es mesuren al sistema de referència de la càmera, i per a traslladar-les a posicions al cel hom ha de saber on apunta exactament la càmera a cada moment, i la disposició geomètrica dels detectors, la distorsió òptica, etc. Matemàticament parlant, tenim un model de les observacions amb moltes incògnites, o paràmetres, que descriuen no tan sols les fonts primàries – les seves posicions, paral·laxis i moviments propis – sinó també la posició d’apuntat de la càmera, les distorsions, etc.  La Solució Astromètrica Iterativa Global és una forma de trobar la combinació de tots els paràmetres que millor “explica” les observacions de les fonts primàries. D’una manera simple pots imaginar-ho com resoldre un trencaclosques gegant que cobreix tota la superfície d’un globus – l’esfera celeste. Les peces són les observacions individuals, que han d’encaixar totes juntes per a cobrir la totalitat del globus. Per a tenir en compte les distorsions de la càmera i altres efectes de calibratge podries haver d’ajustar la mida i forma de les peces, però només hi ha una forma de fer que s’ajustin a tot arreu. Això explica perquè AGIS és “Global”. És també iteratiu, cosa que significa que l’ajust no es realitza en una única tongada, sinó en petits passos o iteracions. A cada iteració l’ajust és una mica millor, fins que després de unes 100 iteracions ja no millora més. En aquest moment  tenim la solució primària desitjada. Per a vincular las observacions de les altres fonts a aquesta xarxa simplement s’ha d’aplicar l’apuntat de la càmera i els calibratges que s’han determinat per a la solució primària.

Al setembre de l’any passat es va publicar el primer catàleg de Gaia. El Gaia Data Release 1 no només conté posicions de més de mil milions d’estrelles de la Via Làctia i més enllà, sinó també més de dos milions d’estrelles els moviments i paral·laxi de les quals s’ha pogut determinar. Cóm va ser possible determinar aquests importants paràmetres astromètrics fent servir tan sols 11 mesos de dades de Gaia?

Lennart Lindegren: Obtenir tota la informació a partir de un període de temps tan curt de dades és difícil, perquè es necessita un cert nombre mínim d’observacions de cada estrella per a executar AGIS satisfactòriament. Per al catàleg final tindrem com a mínim cinc anys d’observacions, que donen per a cada estrella més observacions que el mínim requerit. Amb 11 mesos una solució és marginalment possible, però podria no ser massa útil, perquè la determinació dels moviments propis seria molt pobre, cosa que alhora provoca que les determinacions de les paral·laxis siguin també pobres.  El que vam fer doncs va ser fer servir els dos milions d’estrelles més brillants com a fonts primàries i combinar-les amb les seves posicions al voltant de 1991, tal i com les va determinar el satèl·lit HIPPARCOS i que es troben disponibles al catàleg TYCHO-2. La combinació de les antigues posicions d’HIPPARCOS amb les noves dades de Gaia donen una bona determinació del moviment propi d’aquestes estrelles i, a partir d’aquí, de la seva paral·laxi. Tanmateix, aquesta solució, denominada Tycho-Gaia Astrometric Solution (TGAS) fou especial per al Gaia Data Release 1 – les futures versions del catàleg estaran basades exclusivament en les dades de Gaia.

Et trobes molt involucrat en la producció del segon Gaia Data Release, programat  per l’abril de 2018. Què es pot esperar d’aquest segon catàleg de Gaia i quines són els principals desafiaments als que t’has enfrontat?

Lennart Lindegren: El segon catàleg estarà basat en quasi dos anys d’observacions complets de Gaia. Això significa que no hi ha necessitat de dependre de les dades anteriors d’HIPPARCOS, i no estem limitats als dos milions d’estrelles més brillants. Gaia DR2 donarà posicions, paral·laxis i moviments propis per a més de mil milions d’estrelles, incloent informació fotomètrica – magnituds i colors – i en alguns casos també determinacions espectroscòpiques de la velocitat radial. Les futures entregues de dades seran molt més precises, i contindran molts altres tipus de dades, però amb DR2 serà el primer cop que la comunitat tindrà consciència de tot el potencial de Gaia. És un gran avenç respecte a DR1. Cada nova entrega de dades comporta nous desafiaments. Amb l’acumulació contínua de dades, la solució d’AGIS es fa millor cada vegada, cosa que exigeix més tant als ordinadors com a les persones. Les solucions cada cop millors revelen nous i subtils detalls de com es comporten els instruments, que han de ser analitzats i entesos, i incorporats a futures solucions. Per tant l’anàlisi és en continu desenvolupament . Això és difícil i requereix molt de temps, però és un treball fascinant.

Quina nova ciència es pot esperar del Gaia DR2?

Lennart Lindegren: Un dels punts forts de Gaia és que és útil per a moltes àrees diferents de l’astrofísica. Això fa difícil predir quina nova ciència hi haurà. Tanmateix, jo espero alguns resultats molt interessants a partir del mapa detallat de les estrelles i com es mouen a la “nostra” part de la Galàxia, a uns pocs milers d’anys-llum del Sol. Això podria aportar alguna llum sobre com funcionen els braços espirals i la distribució de la misteriosa matèria fosca.

Ara que et trobes oficialment jubilat, encara seguiràs amb el teu treball a Gaia. Per què és aquest treball tan fascinant per a tu? Quina serà la teva implicació en els futurs desafiaments de la missió Gaia?
Lennart Lindegren: Com he mencionat abans, em fascinen diversos aspectes tècnics, en particular tractar d’entendre com funciona Gaia i com aquesta comprensió es pot fer servir per a millorar els seus resultats finals. Aquest és el motiu de que el moment actual sigui tan excitant. Estem aprenent a conèixer l’instrument al nivell necessari per a assolir la precisió final pretesa, o potser inclús millor. I podem veure el magnífic instrument que és Gaia! És realment un privilegi estar implicat en aquest treball, que espero duri molts anys més.

L’entrevista està també publicada a la pàgina de Gaia d’ESA.