«Последний свет» орбитальной обсерватории гамма-лучей INTEGRAL

Международная орбитальная обсерватория INTEGRAL, выведенная в космос Россией, завершила научные наблюдения после двадцати двух с половиной лет успешной работы. Она будет законсервирована и сойдёт с орбиты через четыре года.

В начале марта 2025 года 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 жёстких 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 неё схода в 2029 года с затоплением обломков в безлюдных южных районах Мирового океана.

Международная астрофизическая обсерватория гамма-лучей INTEGRAL (ESA) в полёте в представлении художника. © ESA

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 тяжёлых элементов в межзвездной среде и при столкновении звёздных ветров в областях активного звездообразования. Обсерватория позволяла исследовать аннигиляцию позитронов в Галактике, экстремальные процессы, происходящие вблизи чёрных дыр, нейтронных звезд и белых карликов, при слиянии нейтронных звёзд, сверхмощных выделениях энергии в магнитарах и релятивистских выбросах во время космических гамма-всплесков, а также многие другие явления, которые проявляют себя главным образом в жёстких 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 жёстких рентгеновских и мягких гамма-лучах в поле зрения 30×30 ° 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 5×5 °. 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 Государственном космическом научно-производственном центре 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 осуществлён 17 октября 2002 года 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 два года (гарантированный период), хотя допускалось продление до пяти 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, учёный 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 Института космических исследований 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 учёных 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 РАН, под руководством академика Р. З. Сагдеева, в проектах ВЕГА (полёт 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 профессор 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 года. 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 учёных 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 учёного 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».

Излучение в гамма-линиях 511, 847 и 1238 кэВ радиоактивного распада кобальта-56 в SN 2014J (Чуразов и др. 2014)

Регистрация излучения в узких линиях 68 и 78 кэВ от радиоактивного распада титана-44 в SNR 1987A (Гребенев и др., 2012)

Было исследовано распределение по диску Галактики радиоактивного 26Al (по его излучению в гамма-линии 1.8 МэВ), рождающегося при столкновении ветра массивных звёзд и сброшенных оболочек сверхновых с окружающей межзвёздной средой.

Аннигиляция позитронов в области центра Галактики: линия 511 кэВ и 3-фотонный континуум (Чуразов и др., 2005)

По данным обсерватории INTEGRAL удалось детально измерить спектр аннигиляции электронов и позитронов в «хребте Галактике» (утолщённой 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 трёхфотонным распадом. Существование двух типов распада позитрония, как известно, связано с взаимной ориентацией спинов позитрона и электрона в его атомах. Форма спектра несёт информацию о механизмах термализации позитронов в межзвёздной 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 жёстких 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 жёстких (>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 жёстких 20-80 кэВ рентгеновских лучах получена телескопом IBIS обсерватории INTEGRAL. (Кривонос и др., 2022)

INTEGRAL обнаружил и исследовал ослабление яркости жёсткого рентгеновского излучения гигантского молекулярного облака Sgr B2, подтвердив гипотезу российских учёных, объясняющую его происхождение рассеянием на молекулярном водороде жёсткого рентгеновского излучения, связанного с былой активностью (мощной вспышкой сотни лет назад) скрытой в ядре Галактики сверхмассивной чёрной 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 звёзд с активными коронами), а также исследование широкополосных спектров рентгеновских новых (аккрецирующих чёрных дыр в маломассивных двойных системах) и многое, многое другое.

Локализация гигантской вспышки магнитара GRB231115A в галактике M82 телескопом IBIS/ISGRI (Минаев и др., 2024)

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 году 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 года, INTEGRAL зарегистрировал и надёжно локализовал первую гигантскую гамма-вспышку от внегалактического магнитара в галактике M82 (событие GRB 231115A).

Вклад российских учёных

Российские учёные — 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 учёных, премией РАН по астрономии им. Ф.А. Бредихина, медалью им. Я. Б. Зельдовича Международного комитета по космическим исследованиям (COSPAR), медалью РАН для молодых учёных, рядом других премий и медалей. На данных наблюдений обсерватории выросло целое поколение учёных — 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 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 защищённых в России 15 кандидатских и шесть 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 учёные 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. Серьёзных технических и научных оснований для её 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 года.

Многочисленные протесты, обращения, просьбы со стороны учёных, 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 учёные знали, что все расходы по обслуживанию спутника INTEGRAL уже давно были сведены к минимуму: оплате приёмной 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 ещё 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!

Текст: д.ф.-м.н. Сергей Андреевич Гребенев, учёный миссии ИНТЕГРАЛ (INTEGRAL Mission Scientist), академик РАН Рашид Алиевич Сюняев, научный руководитель миссии ИНТЕГРАЛ от России.

Источник: ИКИ РАН.