snelheid meten

De radiële snelheid
van 150 miljoen sterren …
De meting gebeurt door het waargenomen spectrum te vergelijken met een theoretisch
nagebootst spectrum (zie poster KSB).
Meetfouten zijn onvermijdelijk. Een wetenschappelijk correct resultaat betekent niet dat de
meting foutloos is, maar dat je bij elke waarde een goede schatting van de fout kan geven.
Daarom onderzoeken we vooraf het effect van alle mogelijke foutenbronnen in het meetproces,
zowel in de apparatuur als in de software voor de data-verwerking en in het nagebootste
spectrum. De Toegepaste Wiskunde speelt hierbij een belangrijke ondersteunende rol.
Het waargenomen spectrum
Het nagebootste spectrum
De sterren waarover het gaat zijn niet zichtbaar met het
blote oog.
Het spectrum van een ster is als een vingerafdruk:
kenmerkend voor elk individu.
Het licht dat we ervan ontvangen moet dan nog eens
opgesplitst worden in verschillende “bakjes” volgens zijn
golflengte.
Spectra van verschillende sterren kunnen sterk verschillen
of zeer gelijkaardig zijn, maar ze zijn nooit exact gelijk.
In elk golflengte-bakje ontvangen we uiteindelijk slechts
een klein aantal fotonen (lichtdeeltjes): enkele duizenden
bij de helderste sterren, maar het kunnen er ook slechts
vijf zijn, of nog minder …
Ter vergelijking: van de zwakste sterren die we zonder
telescoop kunnen zien, ontvangt ons oog (in dezelfde
belichtingstijd) meer dan 10 000 fotonen.
Het “tellen” van de fotonen is een toevalsproces: er is dus
onvermijdelijk een stochastische fout (de “ruis”) op het
aantal dat de apparatuur aangeeft; die fout is relatief
belangrijker naarmate het aantal fotonen kleiner is.
Er kunnen nog andere fouten optreden, bv.
cosmische straling kan de foton-telling in sommige
golflengte-bakjes rechtstreeks vervalsen
cosmische straling zal ook mettertijd de detector (CCD)
zodanig beschadigen dat het ganse spectrum misvormd
wordt
Als het een beetje tegenvalt, ziet het waargenomen
spectrum er bv. zó uit:
Het spectrum hangt vooral (maar niet alleen) af van de
temperatuur, de druk en de chemische samenstelling van
de “atmosfeer” van de ster.
Die “atmosferische parameters” kunnen we meestal niet
zeer nauwkeurig bepalen.
Daarom zijn er onvermijdelijk kleine verschillen tussen het
nagebootste spectrum en het echte (ongeacht de ruis).
Die verschillen vervalsen de meting, maar we hebben dit
effect kunnen modelleren zodat we nu, uit de toevallige fout
op de atmosferische parameters, kunnen schatten hoe
groot de “vervalsing” kan zijn.
Hiermee kunnen we dan rekening houden in het
uiteindelijke “foutenbudget”.
Drie meetmethoden
Er zijn verscheidene methoden om de radiële snelheid te
meten. De kwaliteit van hun resultaat hangt af van de aard
van het spectrum.
Omdat Gaia de meest uiteenlopende soorten sterren zal
waarnemen werden drie verschillende methoden gekozen.
Met elk spectrum wordt de snelheid dus driemaal bepaald.
Vervolgens is er een algoritme dat deze metingen
combineert tot één resultaat.
De rode lijn toont wat het spectrum zou zijn zonder de ruis.
Met behulp van Monte-Carlo simulatie en statistische
analyse kunnen we de fout op de meting toch inschatten.
Het gebruikt hierbij een kennis-databank die wordt
opgebouwd door de drie methoden toe te passen op een
groot aantal gesimuleerde waarnemingen en hun prestaties
te registreren in de vorm van statistische kwaliteitsindicatoren.
Die databank vormt a.h.w. een kaart waarmee het
combinatie-algoritme zijn weg kan vinden naar het optimale
resultaat.
Het team dat de software heeft opgebouwd en dat verder zorgt voor de kwaliteitsbewaking, omvat medewerkers van
Koninklijke Sterrenwacht van België, Observatoire de Paris Meudon, Université de Liège en Universiteit Antwerpen