«Последний свет» орбитальной обсерватории гамма-лучей INTEGRAL
После 22.5 лет успешной работы международная орбитальная обсерватория INTEGRAL, выведенная в космос Россией, завершила научные наблюдения.
В начале марта 2025 г. телескопы международной астрофизической обсерватории гамма-лучей INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory), созданной Европейским космическим агентством (ESA) с участием России и США, провели свое последнее наблюдение космического источника в жестких рентгеновских лучах — получили «последний свет» от пульсара в Крабовидной туманности. По решению Научного программного комитета ESA обсерватория в ближайшие дни будет законсервирована, хотя и продолжит свое движение по орбите вплоть до естественного с нее схода в 2029 г. с затоплением обломков в безлюдных южных районах Мирового океана.
Обсерватория INTEGRAL была первой и пока единственной специализированной лабораторией, выведенной в космос для исследований в области ядерной астрофизики. Она была способна по излучению в гамма-линиях изучать распад радиоактивных изотопов, образующихся при взрывах сверхновых и новых, при раскалывании высокоэнергичными космическими лучами ядер тяжелых элементов в межзвездной среде и при столкновении звездных ветров в областях активного звездообразования. Обсерватория позволяла исследовать аннигиляцию позитронов в Галактике, экстремальные процессы, происходящие вблизи черных дыр, нейтронных звезд и белых карликов, при слиянии нейтронных звезд, сверхмощных выделениях энергии в магнитарах и релятивистских выбросах во время космических гамма-всплесков, а также многие другие явления, которые проявляют себя главным образом в жестких диапазонах энергий.
На борту обсерватории находился уникальный охлаждаемый германиевый гамма-спектрометр SPI, позволяющий изучать линии гамма-излучения с высочайшими чувствительностью и разрешением (2.5 кэВ на 1 МэВ). Его дополнял гамма-телескоп IBIS для картографирования неба в жестких рентгеновских и мягких гамма-лучах в поле зрения 30o × 30o с разрешением минуты дуги. Позиционно-чувствительный регистрирующий слой телескопа состоял из 16 384 независимых полупроводниковых (CdTe) детекторов, каждый размером 4 × 4 мм. Были и вспомогательные приборы: два монитора JEM-X для картографирования неба в стандартном рентгеновском диапазоне и широкоугольный оптический монитор с полем 5o × 5o. Приборы были изготовлены научными организациями Германии, Дании, Испании, Италии и Франции с участием Великобритании, США, ряда других стран. За создание самого спутника (идентичного спутнику рентгеновской обсерватории XMM-Newton) отвечало ESA, адаптер для его стыковки с разгонным блоком ракеты-носителя был разработан и изготовлен по заказу ESA в ГКНПЦ им. М. В. Хруничева.
Участие России в проекте
Россия отвечала за вывод обсерватории массой более 4 тонн в космос на высокоэллиптическую орбиту с периодом 72 часа, апогеем 154 000 км и перигеем 9 000 км. Запуск был осуществлен 17 октября 2002 г. с космодрома Байконур российской ракетой-носителем «Протон-К» с разгонным блоком ДМ2 и прошел исключительно хорошо, с точностью заметно выше ожидаемой, что позволило сэкономить топливо при формировании окончательной орбиты и помогло увеличить срок работы спутника.
Изначально предполагалось, что обсерватория проработает на орбите 2 года (гарантированный период), хотя допускалось продление до 5 лет. В итоге INTEGRAL работал 22 года и почти 5 месяцев, и 80% этого времени, в течение которых спутник был вне радиационных поясов Земли, были посвящены астрономическим наблюдениям. Всего спутник на момент выключения совершил 2887 витков вокруг Земли.
В обмен за носитель и услуги по запуску российские ученые получили право на использование данных всех научных приборов обсерватории INTEGRAL в течение 25% ее наблюдательного времени.
Участие России в проекте INTEGRAL было инициировано академиком РАН Р. А. Сюняевым, ставшим научным руководителем проекта от России. Многое сделали для осуществления проекта д.ф.-м.н. С. А. Гребенев, ученый миссии (INTEGRAL Mission Scientist), доктора наук, ныне академики Е. М. Чуразов и М. Р. Гильфанов, активно помогал академик А. А. Галеев, в то время директор ИКИ РАН.
Уникальную орбиту спутника INTEGRAL, позволившую более чем на четверть увеличить наблюдательное время миссии, предложил и рассчитал баллистик ИКИ РАН, к.т.н. Н. А. Эйсмонт.
Участие России в проекте было одобрено Российской академией наук во многом благодаря активной поддержке выдающихся ученых из ведущих институтов и университетов страны: академиков Д. А. Варшаловича, В. В. Железнякова, Г. Т. Зацепина, Г. Ф. Крымского, А. А. Старобинского, А. М. Черепащука, А. Е. Чудакова, членов-корреспондентов РАН В. С. Имшенника и Е. П. Мазеца, профессоров (в то время) А. М. Быкова, Ю. Н. Гнедина, В. С. Птускина и других. Со стороны ESA научный директор агентства Роже Бонне и научный руководитель будущего гамма-спектрометра SPI Жильбер Ведренн уже имели опыт и сохранили добрые впечатления от совместной работы с ИКИ, под руководством академика Р. З. Сагдеева, в проектах ВЕГА (полет к комете Галлея) и ГРАНАТ (гамма-телескоп SIGMA). Это тоже имело большое значение.
Громадную роль в поддержке участия России в проекте сыграло руководство Росавиакосмоса (сейчас это Госкорпорация «Роскосмос»): генеральный директор Ю. Н. Коптев, заместитель генерального директора А. И. Медведчиков, начальник управления В. Е. Нестеров, С. В. Кулик и другие. На более поздней (технической) стадии основную тяжесть работы по стыковке спутника INTEGRAL с разгонным блоком и подготовке к осуществлению запуска взяли на себя первый заместитель Генерального конструктора КБ «Салют» ГКНПЦ им. М. В. Хруничева проф. В. К. Карраск и его коллеги.
Участие России в проекте было одобрено Правительством РФ и закреплено Соглашением между Росавиакосмосом и ESA от 17 сентября 1999 г. Подписание Соглашения на столь высоком уровне способствовало дальнейшему продвижению ракеты-носителя «Протон» на мировой рынок коммерческих запусков.
Обсерватория стала первой миссией с российским участием, данные которой распределялись в режиме «национальной обсерватории», т. е. по единому конкурсу заявок российских и зарубежных ученых на проведение наблюдений. После ранжирования заявки распределялись в соответствии с квотами наблюдательного времени. На обработку полученной информации и подготовку статей давался один год, после которого данные становились общедоступными, поэтому работать приходилось интенсивно. Данные, полученные в рамках российской квоты, хранятся в Российском центре научных данных (РЦНД), который находится в ИКИ РАН. Руководитель РЦНД — д.ф.-м.н. С. А. Гребенев.
Важнейшие научные результаты
Работа обсерватории на орбите привела к ряду замечательных научных результатов и открытий.
Прежде всего это открытие радиоактивного излучения в рентгеновских линиях распада 44Ti внутри остатка Сверхновой 1987А, взорвавшейся из-за коллапса ядра массивной звезды, и в гамма-линиях распада 56Co внутри оболочки Сверхновой 2014J (подтвердившее термоядерную природу сверхновых типа Iа). Одновременно с опубликованием в ведущем международном журнале Nature статьи о прямом обнаружении по данным обсерватории INTEGRAL гамма-линий распада 56Co в SN 2014J профессор Гарвардского университета Роберт Киршнер в комментариях к статьям выпуска журнал написал: «глубочайшее удовольствие для ученого состоит в том, чтобы представить решающее доказательство важной физической идеи, которая десятилетиями использовалась без доказательств. Данные обсерватории INTEGRAL устанавливают механизм термоядерного взрыва сверхновых типа Ia. Это замечательный результат».
Было исследовано распределение по диску Галактики радиоактивного 26Al (по его излучению в гамма-линии 1.8 МэВ), рождающегося при столкновении ветра массивных звезд и сброшенных оболочек сверхновых с окружающей межзвездной средой.
По данным обсерватории INTEGRAL удалось детально измерить спектр аннигиляции электронов и позитронов в «хребте Галактике» (утолщенной центральной области Галактического диска), состоящий из узкой линии с энергией 511 кэВ двухфотонного распада атомов позитрония и широкого континуума на меньших энергиях, связанного с его трехфотонным распадом. Существование двух типов распада позитрония, как известно, связано с взаимной ориентацией спинов позитрона и электрона в его атомах. Форма спектра несет информацию о механизмах термализации позитронов в межзвездной среде, где происходит их торможение, образование атомов позитрония и гибель из-за аннигиляции. Высокоточные измерения формы линии позволили определить температуру Te ~ 104 K электронов и позитронов в этой среде. По данным обсерватории INTEGRAL, каждую секунду в «хребте Галактики» аннигилирует 1043 позитронов.
Были открыты сотни ранее неизвестных жестких рентгеновских источников на небе и почти удвоено число известных рентгеновских двойных систем в нашей Галактике, в том числе открыты две новые популяции таких объектов: сильнопоглощенные источники и так называемые «быстрые рентгеновские транзиенты».
По данным обсерватории выполнен первый глубокий обзор Галактической плоскости и полный обзор всего неба в жестких (>20 кэВ) рентгеновских лучах, составлен первый каталог активных ядер галактик (AGN) в ближней Вселенной, впервые определена доля AGN с большой оптической толщей по комптоновскому рассеянию.
Карта неба в жестких 20-80 кэВ рентгеновских лучах (получена телескопом IBIS обсерватории INTEGRAL, Кривонос и др. 2022)
INTEGRAL обнаружил и исследовал ослабление яркости жесткого рентгеновского излучения гигантского молекулярного облака Sgr B2, подтвердив гипотезу российских ученых, объясняющую его происхождение рассеянием на молекулярном водороде жесткого рентгеновского излучения, связанного с былой активностью (мощной вспышкой сотни лет назад) скрытой в ядре Галактики сверхмассивной черной дыры Sgr A*.
За обсерваторией и первое картографирование жесткого рентгеновского диффузного излучения «хребта Галактики» и его отождествление со свечением тысяч неразрешенных компактных рентгеновских источников (белых карликов и звезд с активными коронами), а также исследование широкополосных спектров рентгеновских новых (аккрецирующих черных дыр в маломассивных двойных системах) и многое, многое другое.
Из недавних результатов можно упомянуть регистрацию гамма-всплесков GRB 170817A и GRB 190425A — уникальных электромагнитных проявлений первых и пока единственных слияний нейтронных звезд, обнаруженных гравитационно-волновыми антеннами LIGO/Virgo. Первый всплеск был независимо зарегистрирован монитором гамма-всплесков GBM обсерватории Fermi (NASA), во время второго обсерватория Fermi находилась в тени Земли и регистрация детектором SPI-ACS обсерватории INTEGRAL оказалась единственной.
В 2020 г. обсерватории INTEGRAL посчастливилось зарегистрировать гамма-вспышку магнитара SGR 1935+21, совпавшую по времени с коротким мощным радиовсплеском от него. Это, возможно, позволяет объяснить феномен «быстрых космических радиовсплесков» (FRB). Совсем недавно, 15 ноября 2023 г. INTEGRAL зарегистрировал и надежно локализовал первую гигантскую гамма-вспышку от внегалактического магнитара в галактике M82 (событие GRB 231115A).
Вклад российских ученых
Российские ученые — авторы заметного числа ключевых публикаций по данным обсерватории INTEGRAL и многих из перечисленных выше открытий. К настоящему времени исследователями из России опубликованы 300 статей и более 170 циркуляров. В целом результаты обсерватории упоминаются в почти 4500 публикациях, более 2000 которых — в ведущих реферируемых журналах по астрономии и астрофизике.
Российские результаты обсерватории отмечены премией Президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых, премией РАН по астрономии им. Ф. А. Бредихина, медалью им. Я. Б. Зельдовича Международного комитета по космическим исследованиям (COSPAR), медалью РАН для молодых ученых, рядом других премий и медалей. На данных наблюдений обсерватории выросло целое поколение ученых — сотрудников отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН: М. Г. Ревнивцев, Р. А. Кривонос, А. А. Лутовинов, И. А. Мереминский, С. В. Мольков, С. Ю. Сазонов, И. В. Человеков и другие.
Работа с данными обсерватории INTEGRAL велась не только в отделе астрофизики высоких энергий, многие важные результаты были получены в группе исследования гамма-всплесков под руководством к.ф.-м.н. А. С. Позаненко, в группах в Государственном астрономическом институте им. П. К. Штернберга МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством академика А. М. Черепащука и профессора Н. И. Шакуры, в группах в Физико-техническом институте им А. Ф. Иоффе РАН под руководством членов-корреспондентов РАН А. М. Быкова и Д. Г. Яковлева, в Казанском федеральном университете под руководством профессора И. Ф. Бикмаева. Результаты обсерватории легли в основу успешно защищенных в России 15 кандидатских и 6 докторских диссертаций.
Поддержка миссии со стороны научной общественности России была необходима и после начала научных наблюдений. Более 20 специалистов из разных российских институтов принимали участие в работе Международного программного комитета обсерватории (TAC), отвечавшего за рассмотрение и отбор заявок на наблюдения. В дополнение к постоянным членам Международной группы пользователей обсерватории (IUG) С. А. Гребеневу и Р. А. Сюняеву отдельные ученые приглашались быть его временными членами: члены-корреспонденты РАН А. А. Лутовинов и К. А. Постнов, доктора наук М. Г. Ревнивцев и С. Ю. Сазонов, кандидат наук Р. А. Кривонос.
Постоянную поддержку в организации и поддержании работы РЦНД в ИКИ РАН оказывал отдел космической динамики и математической обработки информации ИКИ РАН под руководством д.т.н. Р. Р. Назирова. В оптическом отождествлении новых рентгеновских источников были задействованы наземные телескопы: Российско-турецкий РТТ-150, БТА Специальной астрофизической обсерватории РАН, АЗТ-33ИК Саянской обсерватории Института солнечно-земной физики СО РАН.
Выключение обсерватории
Судьбу обсерватории INTEGRAL после 22.5 лет успешной работы решили отнюдь не научные аргументы. Серьезных технических и научных оснований для ее выключения не было. Все приборы и телескопы продолжали исправно работать, проблемы, возникавшие со спутником, успешно решались, многие проводившиеся наблюдения, прежде всего в гамма-диапазоне, оставались уникальными. В частности, в области ядерной астрофизики единственная миссия, которая сможет хоть как-то заменить INTEGRAL, — обсерватория NASA COSI/SMEX будет выведена в космос не ранее 2027 г.
Многочисленные протесты, обращения, просьбы со стороны ученых, высказанные опасения, что именно в эти три года (2025–2027) в нашей Галактике может вспыхнуть близкая сверхновая, которую так долго ждал INTEGRAL, эффекта не возымели. Основные доводы ESA сводились к утверждениям, что обсерватория уже выполнила основные задачи и необходимо финансировать следующие миссии. Но ученые знали, что все расходы по обслуживанию спутника INTEGRAL уже давно были сведены к минимуму: оплате приемной антенны в Европейском центре космической астрономии (ESAC) в Виллафранка (Испания) и зарплаты 1–2 сотрудников, составляющих программу наблюдений и управляющих спутником.
Несмотря на прекращение выполнения новых наблюдений, в ИКИ РАН и ряде других институтов страны продолжается активная работа с архивными данными обсерватории. Далеко не все исследования еще завершены. Многие задачи требует анализа сразу всех или больших массивов данных, полученных за 22.5 года наблюдений, и многомесячной работы мощных компьютеров. Так что данных хватит еще на многие годы работы.
Скажем СПАСИБО обсерватории INTEGRAL за столь долгую ударную работу и полученные ею уникальные результаты!
д.ф.-м.н. Сергей Андреевич Гребенев, ученый миссии ИНТЕГРАЛ (INTEGRAL Mission Scientist)
академик Рашид Алиевич Сюняев, научный руководитель миссии ИНТЕГРАЛ от России
Дополнительная информация
Подробнее об обсерватории INTEGRAL и ее результатах, полученных с участием российских ученых, можно узнать в пресс-релизе 17.10.2022 «Двадцать лет ИНТЕГРАЛА» ИКИ РАН и на странице проекта ИНТЕГРАЛ/INTEGRAL.
Проект INTEGRAL на портале ЕКА
Упоминаемые статьи
- Churazov, E., Sunyaev, R., Sazonov, S., Revnivtsev, M., Varshalovich, D. Positron annihilation spectrum from the Galactic Centre region observed by SPI/INTEGRAL, MNRAS, 2005, 357, 1377-1386
- Churazov, E., Sunyaev, R., Isern, J., Knoedlseder, J., Jean, P., Lebrun, F., Chugai, N., Grebenev, S., Bravo, E., Sazonov, S., Renaud, M. Cobalt-56 gamma-ray emission lines from the type Ia supernova 2014J, Nature, 2014, 512, 406-408 (astro-ph:1405.3332)
- Grebenev, S.A., Lutovinov, A.A., Tsygankov, S.S., Winkler, C. Hard X-ray emission lines from the decay of 44Ti in the remnant of supernova 1987A, Nature, 2012, 490, 373-375
- Krivonos, R.A., Sazonov, S.Yu., Kuznetsova, E.A., Lutovinov, A.A., Mereminskiy, I.A., Tsygankov, S.S. INTEGRAL/IBIS 17-yr hard X-ray all-sky survey, MNRAS, 2022, 510, 4796-4807
- Минаев П.Ю., Позаненко А.С., Гребенев С.А., Человеков И.В., Панков Н.С., Хабибуллин А.А., Инасаридзе Р.Я., Новичонок А.О. GRB 231115A - гигантская вспышка магнитара в галактике М82, Письма в Астрономический журнал, 2024, 50, 7-28 (Astronomy Letters, 2024, 50, 1-21; astro-ph:2402.08623)