ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Институт Космических исследований
Российской Академии Наук

Институт Космических исследований
Российской Академии Наук

Switch Language

Двадцать лет ИНТЕГРАЛА

17 октября 2022
Рубрика
Новости проектов

Исполнилось 20 лет успешной работы в космосе Международной астрофизической лаборатории гамма-лучей ИНТЕГРАЛ (INTEGRAL).

Международная обсерватория ИНТЕГРАЛ в полете в представлении художника. Изображение (с) ESA

Созданная на средства Европейского космического агентства (ЕКА) обсерватория была выведена на высокоапогейную орбиту 17 октября 2002 г. ракетой-носителем «Протон» с космодрома Байконур. Запуск «Протоном» позволил значительно (до ~30%) увеличить время наблюдений по сравнению с другими обсуждавшимся возможностями, а также сразу поднять перигей орбиты до 9000 км (выше радиационных поясов Земли, что гарантировало сохранность радиационно-чувствительных приборов). За запуск российские ученые (и прежде всего сотрудники ИКИ РАН) получили эксклюзивное право на анализ 25% научных данных всех приборов в течение года после проведения наблюдений, затем данные открывались для всех.

INTEGRAL — сокращение от «INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory», «Международная астрофизическая лаборатория гамма-лучей». Обсерватория задумывалась как первая космическая лаборатория для исследований в области ядерной астрофизики. Основными объектами её «интересов» должны были стать радиоактивные гамма-линии от остатков сверхновых и новых, от распада радиоактивного алюминия-26 (26Al) в диске Галактики и аннигиляции позитронов в окрестности ее центра, а также линии, формирующиеся в процессах расщепления тяжелых ядер при взаимодействии космических лучей с межзвездной средой.

На космическом аппарате были установлены уникальные специализированные гамма-телескопы: SPI с охлаждаемыми до 85 K германиевыми детекторами для сверхтонкой (с разрешением 2.2 кэВ вблизи 1 МэВ) гамма-спектроскопии и IBIS c огромным позиционно-чувствительным детектором ISGRI (массивом 16384 полупроводниковых элементов из теллурида кадмия CdTe) для картографирования неба в жестких рентгеновских лучах (по принципу кодирующей апертуры). Были установлены также два рентгеновских телескопа JEM-X и широкоугольный оптический телескоп OMC.

По чувствительности и возможностям гамма-телескопы на порядок и более превосходили приборы, работавшие ранее в космосе. Не удивительно, что сразу после запуска потоком пошли сообщения об открытии новых источников и ранее неизвестных явлений, множестве замечательных результатов.

Изображение в жестких рентгеновских лучах обширной области вблизи Галактического центра, полученное телескопом IBIS/ISGRI (обсерватория ИНТЕГРАЛ) за годы наблюдений. Видны сотни зарегистрированных источников

В частности, обсерватория:

  1. За короткий срок более чем удвоила число известных в нашей Галактике рентгеновских двойных систем (аккрецирующих нейтронных звезд, черных дыр и белых карликов). 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. Открыла две ранее неизвестные популяции рентгеновских двойных. Это сильнопоглощенные источники — в них излучение релятивистского объекта в стандартном рентгеновском диапазоне полностью поглощается в плотном звездном ветре массивной звезды-спутника. Вторые — быстрые рентгеновские транзиенты SFXT, которые обычно не излучают и ярко вспыхивают лишь на короткое (~1 часа) время в момент преодоления центробежного барьера магнитосферой нейтронной звезды при аккреции из звездного ветра звезды-спутника. Эти источники 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 объектов, наблюдаемых в постоянном излучении.
  3. Подтвердила существование отраженного при комптоновском рассеянии на электронах в гигантских молекулярных облаках Галактики рентгеновского излучения центральной сверхмассивной черной дыры (источника Sgr A*) — эха ее былой (сотни лет назад) рентгеновской активности. Обсерватория зарегистрировала долгожданное падение отраженного рентгеновского потока, связанное с выходом светового фронта рентгеновской вспышки из облака Sgr B2.
  4. Подтвердила, что диффузное рентгеновское излучение «хребта» нашей Галактики 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.
  5. Впервые зарегистрировала излучение остатка уникальной сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке в рентгеновских линиях 68 и 78 кэВ — от распада радиоактивного 44Ti, синтезированного при взрыве. Это позволило оценить количество титана в разлетающейся оболочке и поставить ограничения на модели взрывного нуклеосинтеза.
  6. Впервые зарегистрировала от сверхновой типа Ia (SN 2014J в галактике M82) радиоактивное излучение распада 56Co (и, возможно, его родительского изотопа 56Ni, синтезированного при взрыве) в гамма-линиях прямого вылета и в жестком рентгеновском континууме, образующемся при комптоновском рассеянии гамма-фотонов на электронах разлетающейся оболочки. Таким образом было впервые доказано, что причиной взрыва сверхновых этого типа служит термоядерный взрыв.
  7. Получила первые детальные карты распределения аннигиляционного излучения позитронов, показывающие концентрацию антивещества к центральным областям Галактики, с высокой точностью измерила 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.
  8. Представила свидетельства широкого распределения радиоактивного 26Al по диску Галактики, поставившие ограничения на темп взрывов сверхновых с коллапсировавшим ядром в Галактике и на вынос радиоактивных элементов из недр массивных звезд.
  9. Выполнила первый детальный глубокий обзор галактической плоскости и полный обзор всего неба в жестких (>20 кэВ) рентгеновских лучах, исследовала свойства населения активных ядер галактик (АЯГ или AGN) в ближней Вселенной, впервые измерив долю АЯГ с большой оптической толщей по комптоновскому рассеянию.
  10. Впервые наблюдала поляризацию гамма-излучения от пульсарной туманности в Крабе, аккреционного диска вблизи черной дыры Лебедь Х-1 и джетов в гамма-всплесках.
  11. 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 всегда считалось), а в высокотемпературной центральной зоне его основного энерговыделения.
  12. Детально исследовала гигантские вспышки нескольких источников повторных гамма-всплесков (SGR) и сделала вывод о существовании отдельной очень жесткой компоненты излучения в интегральных спектрах их слабых более частых вспышек. Впервые зарегистрировала 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. Впервые детально исследовала популяцию относительно слабых (а потому плохо изученных) гамма-всплесков, попавших в поле зрения гамма-телескопов IBIS и SPI. Доказала существование всплесков с низкой светимостью, что опровергло популярный взгляд на всплески как на «стандартные свечи». Массивная защита ACS гамма-спектрометра SPI является едва ли не самым большим гамма-всплесковым детектором, когда-либо работавшим в космосе, и уже многие годы служит главным поставщиком уникальных кривых блеска гамма-всплесков для их исследования и триангуляции.
  14. 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 «Ферми» (NASA), во время второго события обсерватория «Ферми» находилась в тени Земли.
  15. 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.
  16. Провела высокоточные измерения спектра космического рентгеновского фона в жестком диапазоне энергий (используя затмения Землей) и исследовала обнаруженное при этом рентгеновское авроральное излучение Земли.

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 (см. статьи в журналах и циркуляры и телеграммы об открытиях). Только в России результаты наблюдений обсерватории легли в основу успешно защищенных 14 кандидатских и 5 докторских диссертаций. Подробнее важнейшие результаты обсерватории (ее «наследие») будут обсуждены на специальной сессии декабрьской конференции ИКИ РАН «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра-2022», которая состоится в ИКИ РАН в конце 2022 г.

Несмотря на некоторые технические проблемы, с которыми спутник ИНТЕГРАЛ столкнулся за последние годы, он остается полностью управляемым, а его научные приборы — работоспособными и в очень хорошем состоянии. В 2015 г. орбита спутника была скорректирована, чтобы обеспечить управляемый сход и затопление в безлюдных районах мирового океана в 2029 г. Объем газа на борту, необходимый для разгузки маховиков, и мощность солнечных панелей, снизившаяся за годы работы из-за естественной эволюции высоты перигея, остаются тем не менее достаточными для продолжения непрерывных наблюдений в течении нескольких лет — возможно, и всех оставшихся 7 лет.

Продолжение работы обсерватории крайне важно:

  • В случае близкой вспышки сверхновой или новой обсерватория ИНТЕГРАЛ будет единственной, способной выполнить полноценное исследование радиоактивного излучения такого события. Например, сверхновая SN 2014J, которую обсерватория успешно наблюдала с расстояния 3.5 Мпк, была тем не менее самой близкой сверхновой типа Ia за последние 50 лет, а сверхновая SN 1987A, в исследование рентгеновского излучения которой ИНТЕГРАЛ внес весомый вклад, была самой близкой (50 кпк) сверхновой с коллапсировавшим ядром за последние ~350 лет.

     

  • В наступившую эпоху многоканальной астрономии будет неоценим вклад обсерватории в поиск и исследование электромагнитных спутников (гамма-всплесков) гравитационно-волновых событий, регистрируемых антеннами LIGO/Virgo/KAGRA, и нейтринных событий, регистрируемых установками IceCube и Baikal-GVD (Байкальским нейтринным телескопом).

     

  • В ближайшие годы запуск гамма-обсерваторий, сопоставимых по возможностям обсерватории ИНТЕГРАЛ, не предвидится, поэтому ее вклад в наблюдения в жестком рентгеновском и мягком гамма-диапазонах остается важным и существенно дополняющим масштабные исследования, ведущиеся на более мягких (рентгеновских) энергиях.

Хочется пожелать обсерватории INTEGRAL столь же успешной и эффективной работы еще долгие годы, новых открытий и замечательных результатов в познании Вселенной!

д.ф.-м.н. Сергей Андреевич Гребенев, ученый миссии ИНТЕГРАЛ (INTEGRAL Mission Scientist)

д.ф.-м.н., профессор РАН Сергей Юрьевич Сазонов, член международного комитета пользователей обсерватории ИНТЕГРАЛ (INTEGRAL / IUG)

академик Рашид Алиевич Сюняев, научный руководитель миссии ИНТЕГРАЛ от России


Инфографика: 20 лет ИНТЕГРАЛА в числах. Изображение (c) ESA