«Интеграл» (Integral, сокращение от «INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory», «Международная астрофизическая лаборатория гамма-лучей») — орбитальная обсерватория, работающая в рентгеновском и гамма-диапазонах электромагнитного излучения 15 кэВ–10 МэВ. Проект реализован Европейским космическим агентством с участием России и НАСА. Российские учёные имеют право на 25% наблюдательного времени обсерватории.
Научные задачи
- наблюдения компактных объектов: белые карлики, нейтронные звёзды, кандидаты в чёрные дыры, — а также гамма-всплесков и другие транзиентов;
- исследования внегалактических источников: галактик, скоплений галактик, активных ядер галактик, диффузного рентгеновского фонового излучения;
- изучение процессов синтеза химических элементов в звёздах и при взрывах сверхновых;
- исследования структуры Галактики;
- наблюдения процессы в центре Галактики, в первую очередь ускорение элементарных частиц;
- поиск и отождествление источников высокоэнергичного излучения;
- еженедельный обзор плоскости Галактики.
Миссия
Рентгеновская и гамма-астрономия изучает свойства и поведение вещества в условиях, которые невозможно воссоздать в лабораториях, — при экстремально высоких температурах, под действием сверхсильных гравитационных и магнитных полей. Объекты изучения — взрывы и остатки сверхновых, релятивистские компактные объекты (большой массы и очень малых размеров: нейтронные звезды, черные дыры, белые карлики), аннигиляция антивещества, свечение межзвездной среды под действием космических лучей высоких энергий и другие «бурные» процессы во Вселенной.
Поскольку земная атмосфера практически не пропускает к поверхности рентгеновские и гамма-фотоны, то чтобы регистрировать их непосредственно, астрофизические приборы устанавливают на борт космических аппаратов.
Особенность обсерватории «Интеграл» состоит в сочетании широкого поля зрения и хорошей чувствительности. Обсерватория находится на высокоэллиптической орбите с перигеем около 9000 км и апогеем около 153000 км. Общая масса обсерватории составляет около 4 тонн. Это фактически предел для современной технологии построения изображений и регистрации фотонов жесткого рентгеновского и мягкого гамма-диапазонов.
Участие России в проекте ИНТЕГРАЛ было инициировано академиком РАН Рашидом Алиевичем Сюняевым, поддержано Российской академией наук и закреплено Соглашением между Росавиакосмосом (ныне ГК «Роскосмос») и ЕКА, введенным в действие распоряжением Правительства РФ.
Успех проекта был также связан с удачным выбором промежуточной высокоэллиптической орбитой, которую предложил и рассчитал старший научный сотрудник ИКИ РАН Натан Андреевич Эйсмонт. Время существования аппарата на ней, при соблюдении требований по радиации, оказалось гораздо больше требуемых 5,5 лет — более 30 лет. Информацию, которая поступает в темпе проводимых измерений, можно принимать практически на протяжении полных интервалов измерений на каждом витке.
Обсерватория была выведена на промежуточную орбиту с точностями намного лучше гарантированных величин. Благодаря этому двигатели самого космического аппарата расходовали значительно меньше топлива на формирование окончательной орбиты. С учетом оптимизации процедур управления ориентацией аппарата, операционное время жизни обсерватории увеличилось с 5 лет до 24–26 лет. По сегодняшним расчетам, запаса топлива на борту спутника должно хватить до 2028 года.
В результате участия Российской Федерации в проекте ИНТЕГРАЛ российские ученые имеют исключительное право на использование 25 % наблюдательного времени обсерватории. Для обсерватории ИНТЕГРАЛ впервые в России был реализован принцип национальной обсерватории. Это значит, что любой ученый из любого российского научного института или университета может подать заявку на проведение наблюдений любого объекта и, в случае одобрения заявки, получить данные для их последующей обработки и анализа. Все научные данные, полученные в рамках российской квоты наблюдательного времени, становятся доступными для российских ученых через Российский Центр научных данных (РЦНД) обсерватории ИНТЕГРАЛ, организованный в ИКИ РАН при поддержке Российской академии наук и Российского фонда фундаментальных исследований. Общий объем научных данных обсерватории составляет несколько десятков терабайт, и данные продолжают поступать в режиме реального времени со скоростью около 2 гигабайт в сутки.
В марте 2023 г. на заседании Программного научного комитета ЕКА было принято решение продлить плановую работу обсерватории ИНТЕГРАЛ на орбите до конца 2024 г. Это позволит поддержать четвертую международную кампанию совместных наблюдений за гравитационными волнами сетью инструментов LIGO, Virgo и KAGRA. Планируется, что кампания начнется в мае 2023 г. и продлится 18 месяцев. Наблюдения за аппаратом будут проводиться до его входа в атмосферу в феврале 2029 г.
Основные научные приборы
- Гамма-телескоп IBIS (Imager on-board INTEGRAL (IBIS). Разработчики: Итальянский национальный институт астрофизики (INAF/IASF,) и CEA-Saclay (Франция)
- Рентгеновский спектрометр SPI (Spectrometer on INTEGRAL). Разработчики: Центр исследований космоса (Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements, CESR, Франция) и Институт внеземной физики Общества им. Макса Планка (Max-Planck-Institut fuer Extraterrestrische Physik, MPE, Германия)
Вспомогательные научные приборы
- Рентгеновский телескоп JEM-X (Joint European X-Ray Monitor). Разработчик: Датский институт космических исследований
- Оптический монитор OMC (optical camera on-board INTEGRAL). Разработчик INTA/LAEFF (Испания)
Научные результаты
К настоящему времени по результатам обсерватории опубликовано более 4000 статей и циркуляров, в том числе около 2000 — в ведущих реферируемых журналах по астрономии и астрофизике. Авторами заметного числа ключевых публикаций и открытий являются российские ученые. Только в России результаты наблюдений обсерватории легли в основу успешно защищенных 14 кандидатских и 5 докторских диссертаций.
1. Обсерватория ИНТЕГРАЛ за короткий срок более чем удвоила число известных в нашей Галактике рентгеновских двойных систем, содержащих аккрецирующие нейтронные звезды, черные дыры и белые карлики. Столь массовое (более 300) открытие рентгеновских источников можно сравнить лишь с революцией в рентгеновской астрономии, осуществленной спутником Uhuru (NASA) в начале 70-х годов. Обсерватория до сих пор продолжает регулярно открывать ранее неизвестные вспыхивающие источники — рентгеновские новые и другие транзиенты.
2. Были открыты две ранее неизвестные популяции массивных рентгеновских двойных: сильнопоглощенные источники, в которых излучение релятивистского объекта в стандартном рентгеновском диапазоне полностью поглощается в плотном звездном ветре массивной звезды-спутника, и быстрые рентгеновские транзиенты (Supergiant Fast X-ray Transients, SFXT), обычно не излучающие, но иногда вспыхивающие на короткое время (несколько часов или даже десятки минут), при этом их яркость возрастает на 4–5 порядков величины. Такой феномен был объяснен существованием центробежного барьера на границе магнитосферы быстро вращающейся нейтронной звезды, останавливающего аккрецию из звездного ветра звезды-спутницы, – так называемый «эффект пропеллера». Вспышки наблюдаются во время кратковременного преодоления барьера магнитосферой, происходящего из-за незначительного изменения внешних условий, например, локального изменения плотности или скорости ветра. При этом ненадолго запускается процесс прямой аккреции. Обнаруженные популяции источников заметно (в 4–5 раз) увеличили число известных рентгеновских двойных в системах со сверхгигантами ранних спектральных классов и позволили объяснить давнюю загадку удивительно малого числа таких рентгеновских объектов, наблюдаемых в постоянном излучении.
3. ИНТЕГРАЛ впервые детально исследовал популяцию относительно слабых, а потому плохо изученных космологических гамма-всплесков (gamma-ray bursts или GRBs), попавших в поле зрения гамма-телескопов IBIS и SPI. Такие всплески с трудом регистрируются обычными относительно небольшими GRB-детекторами. В частности, ИНТЕГРАЛ доказал существование гамма-всплесков с очень низкой светимостью, во всем остальном проявляющих себя как типичные GRBs. Это открытие позволило опровергнуть популярный взгляд на всплески как на «стандартные свечи», то есть события одинаковой светимости.
4. Обсерватория подтвердила существование рентгеновского излучения центральной сверхмассивной черной дыры, отраженного при комптоновском рассеянии на электронах в гигантских молекулярных облаках Галактики. Это своего рода «эхо» ее былой (сотни лет назад) рентгеновской активности. Сейчас сверхмассивная черная дыра (известная как источник рентгеновского излучения Sgr A*) находится в спокойном состоянии и почти не излучает в рентгеновском диапазоне энергий. Однако несколько сотен лет назад она была в миллион раз ярче, и поток этого излучения отразился от молекулярного облака Sgr B2, которое мы сейчас и наблюдаем в рентгене. Впервые его зарегистрировал телескоп АРТ-П обсерватории «Гранат» в 1990 г. Обсерватория ИНТЕГРАЛ вначале наблюдала рентгеновское излучение облака на том же уровне потока, что был измерен обсерваторией «Гранат», но спустя примерно 5 лет зарегистрировала падение отраженного рентгеновского потока, связанное с выходом светового фронта рентгеновской вспышки из облака Sgr B2.
5. Обсерватория ИНТЕГРАЛ подтвердила, что диффузное рентгеновское излучение вдоль плоскости нашей Галактики — её «хребта» — связано с излучением множества слабых магнитоактивных звезд и аккрецирующих белых карликов. По данным обсерватории, морфология его пространственного распределения точно повторяет распределение инфракрасной светимости обычных звезд, при этом резко отличаясь от распределений межзвездного газа и галактических космических лучей сверхвысоких энергий. Этот результат можно сравнить с открытием Галилео Галилея, который в 1610 г., используя первый изготовленный им телескоп, показал, что рассеянное свечение Млечного Пути в видимом свете связано с излучением множества далеких звезд.
6. Обсерватория впервые зарегистрировала излучение остатка уникальной сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке в рентгеновских линиях 68 и 78 кэВ — от распада радиоактивного изотопа титана-44, синтезированного при взрыве. Это позволило оценить количество титана в разлетающейся оболочке и поставить ограничения на модели взрывного нуклеосинтеза.
7. Обсерватория ИНТЕГРАЛ впервые зарегистрировала радиоактивное излучение распада кобальта-56, и, возможно, его родительского изотопа никеля-56, от сверхновой типа Ia — SN 2014J в галактике M82. Эти элементы были синтезированы при взрыве. Изотоп 56Co распадается в обычное железо (56Fe) с периодом полураспада 77.3 суток, испуская при этом позитроны и гамма-фотоны с разными энергиями, чаще всего 847 и 1238 кэВ. Их удалось зарегистрировать в гамма-линиях прямого вылета, а также в жестком рентгеновском континууме, образующемся при комптоновском рассеянии гамма-фотонов на электронах разлетающейся оболочки. Полученный спектр и его эволюция согласуются с теоретическим расчетом выхода гамма-излучения из оболочки, образующейся при термоядерном взрыве белого карлика с массой, близкой к пределу Чандрасекара. Анализ подтвердил присутствие внутри оболочки сверхновой ~0.6 массы Солнца радиоактивного кобальта, что составляет около 50% массы всей оболочки. Таким образом было впервые доказано, что причиной взрыва сверхновых этого типа служит термоядерный взрыв.
8. Обсерватория получила первые детальные карты распределения аннигиляционного излучения позитронов, показывающие концентрацию антивещества к центральным областям Галактики. Кроме того, удалось с высокой точностью измерить спектр аннигиляционного излучения с узкой линией двухфотонной аннигиляции и широким трехфотонным континуумом распада позитрония, что позволило поставить ограничения на условия в области образования и распада позитрония.
9. Обсерватория ИНТЕГРАЛ представила свидетельства широкого распределения радиоактивного алюминия-26 по диску Галактики. Эти данные позволили ограничить представления о темпе взрывов сверхновых с коллапсировавшим ядром в Галактике и о выносе радиоактивных элементов из недр массивных звезд.
10. Благодаря обсерватории ИНТЕГРАЛ был выполнен первый детальный глубокий обзор Галактической плоскости и полный обзор всего неба в жестких (>20 кэВ) рентгеновских лучах. Обсерватория исследовала свойства населения активных ядер галактик (АЯГ, active galactic nuclei или AGN) в ближней Вселенной. Впервые была измерена доля АЯГ с большой оптической толщей по комптоновскому рассеянию. Такие объекты неудачно к нам ориентированы, так что область их основного энерговыделения оказывается скрытой плотными облаками газопылевого тора на границе аккреционного диска.
11. Обсерватория исследовала широкополосные (от оптического до гамма-излучения) спектры большого числа аккрецирующих черных дыр и показала, что основной поток оптического излучения формируется не на периферии аккреционного диска, как считалось ранее, а в высокотемпературной центральной зоне его основного энерговыделения.
12. ИНТЕГРАЛ детально исследовал гигантские вспышки нескольких источников повторных гамма-всплесков (soft gamma-repeaters или SGRs). Был сделан вывод о существовании отдельной очень жесткой компоненты излучения в интегральных спектрах их слабых более частых вспышек. Впервые был зарегистрирован гамма-всплеск, совпавший по времени с короткой радиовспышкой магнитара SGR 1935+2154. Это, возможно, объясняет происхождение загадочных источников быстрых радиовсплесков (Fast Radio Bursts или FRBs).
13. Обсерватория зарегистрировала электромагнитные события — гамма-всплески GRB 170817A и GRB 190425A, сопровождавшие уникальные явления — слияния пар нейтронных звезд, обнаруженные гравитационно-волновыми антеннами LIGO/Virgo. Первое из них было независимо зарегистрировано монитором гамма-всплесков GBM обсерватории Fermi (NASA), во время второго события обсерватория Fermi находилась в тени Земли.
14. Обсерватория ИНТЕГРАЛ внесла большой вклад в исследование рентгеновских всплесков от термоядерных взрывов на поверхности нейтронных звезд, в том числе обнаружила ряд новых барстеров, зарегистрировала и исследовала так называемые кратные всплески. Временной интервал между такими всплесками недостаточен для накопления взрывного количества вещества. Они были объяснены особенностями растекания вещества по поверхности звезды при аккреции.
15. Обсерватория провела высокоточные измерения спектра космического рентгеновского фона в жестком диапазоне энергий, используя затмения Землей. Для этого обсерватория была развернута так, чтобы Земля прошла через поле зрения ее телескопов. Затеняя часть поля зрения телескопов диском Земли, мы уменьшаем измеряемый ими космический фон, оставляя фон заряженных частиц неизменным.
Впервые такие наблюдения были проведены по инициативе российских ученых в январе–феврале 2006 г. До этого никто не обсуждал и даже не рассматривал возможность наведения обсерватории ИНТЕГРАЛ на Землю. Но в ноябре 2015 г. были проведены повторные наблюдения, во время которых было зарегистрировано сильное авроральное излучение вблизи северного полюса Земли – полярное сияние в жестких рентгеновских лучах. Так же, как и обычное полярное сияние, оно связано со свечением быстрых заряженных частиц при их движении вдоль силовых линий магнитосферы Земли.
Головные организации и руководители
- Европейское космическое агентство (European Space Agency, ESA/ЕКА)
- Национальная администрация по аэронавтике и исследованию космического пространства США (National Aeronautics and Space Administration, НАСА/NASA)
- Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос» (ГК «Роскосмос»)
- Научный руководитель с российской стороны: академик Рашид Алиевич Сюняев (ИКИ РАН)
Коллаборация
Участники проекта с российской стороны:
- Российская академия наук
- Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН)
- Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва
- Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева
Основные научные публикации
- Kuznetsova et al. Sgr B2 hard X-ray emission with INTEGRAL after 2009: still detectable?, MNRAS, 2022, v. 509, pp. 1605–1613
- Kuulkers et al. INTEGRAL reloaded: spacecraft, instruments and ground system, New Astronomy Reviews, 2021, v. 93, id. 101629
- А.С. Позаненко и др. Наблюдение в гамма-диапазоне второго связанного со слиянием нейтронных звезд события LIGO/VIRGO S190425z, Письма в Астрономический журнал, 2019, т. 45, сс. 768–786
- Pozanenko et al. GRB 170817A Associated with GW170817: Multi-frequency Observations and Modeling of Prompt Gamma-Ray Emission, Astrophysical Journal, 2018, v. 852, id. L30
- Чуразов Е.М., Лутовинов А.А., Ревнивцев М.Г., Сазонов С.Ю., Гребенев С.А., Сюняев Р.А. Вселенная под присмотром «Интеграла». Земля и Вселенная, 2015, № 5, с. 18
- Churazov et al. Cobalt-56 gamma-ray emission lines from the type Ia supernova 2014J, Nature, 2014, v. 512, pp. 406-408
- Grebenev et al. Deep hard X-ray survey of the Large Magellanic Cloud, MNRAS, 2013, v. 428, pp. 50-57
- Grebenev et al. Hard X-ray emission lines from the decay of 44Ti in the remnant of supernova 1987A, Nature, 2012, v. 490, pp. 373–375
- Krivonos et al. INTEGRAL/IBIS nine-year Galactic hard X-ray survey, Astronomy&Astrophysics, 2012, v. 545, id. A27
- Krivonos et al. Hard X-ray emission from the Galactic ridge, Astronomy&Astrophysics, 2007, v. 463, pp. 957–967
- Churazov et al. Positron annihilation spectrum from the Galactic Centre region observed by SPI/INTEGRAL, MNRAS, 2005, v. 357, pp. 1377-1386
- М.Г. Ревнивцев и др. Обзор области галактического центра в жестких рентгеновских лучах телескопом IBIS обсерватории ИНТЕГРАЛ. Каталог источников, Письма в Астрономический журнал, 2004, т. 30, сс. 430–435
- Sazonov et al. An apparently normal gamma-ray burst with an unusually low luminosity, Nature, 2004, v. 430, p. 646
- Winkler et al. The INTEGRAL mission, Astronomy&Astrophysics, 2003, v. 411, L1-L6
- Гребенев С.А., Сюняев Р.А. Международная астрофизическая лаборатория гамма-лучей ИНТЕГРАЛ. Земля и Вселенная, 2003, № 2, с. 3
Сайты
- Страница проекта ИНТЕГРАЛ на портале Европейского космического агентства
- Страница проекта ИНТЕГРАЛ (до 28.07.2020) на портале Европейского космического агентства
- Международная астрофизическая обсерватория гамма-лучей ИНТЕГРАЛ на сайте отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН
- Слайд-шоу «ИНТЕГРАЛ: 15 лет на орбите» на сайте отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН
Статус: работает
Запуск: 17.10.2002, 08:51 мск, космодром Байконур, РН «Протон-К» / РБ ДМ-03
Головное космическое агентство: ESA
SCN: 27540
NSSDC ID: 2002-048A
Основной сайт: ESA — Integral