Обсерватория ИНТЕГРАЛ: недреманное око на земной орбите

Цепочка неземных удач

17 августа 2017 года ученые впервые зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд, а не двух черных дыр, как в предыдущих четырех случаях (первое детектирование произошло 14 сентября 2015 года). Об этом говорят массы данных объектов: в диапазоне от 1,1 до 1,6 массы Солнца. Слияние произошло в галактике NGC 4993 (созвездие Гидры) за 130 млн световых лет от нас.

Открытию сопутствовала дополнительная удача: наряду с гравитационным сигналом был параллельно зафиксирован другой, электромагнитный. Вначале сработали детекторы обсерваторий LIGO в Ливингстоне (штат Луизиана, США) и Хэнфорде (штат Вашингтон), а также VIRGO вблизи Пизы (Италия). Примерно через 1,5 секунды обсерватории Fermi и ИНТЕГРАЛ, работающие на орбите Земли, зарегистрировали секундный всплеск жесткого рентгеновского излучения с того же направления, откуда пришли гравитационные волны. Это был типичный гамма-всплеск «короткого» класса. Уже давно астрофизики подозревали, что короткие гамма-всплески возникают от слияния нейтронных звезд. И вот — прямое подтверждение.

Кроме того, множество обсерваторий зарегистрировало свечение уровня килоновой (порядка 109 светимостей Солнца).

Международная пресс-конференция, снабдившая сенсацией средства массовой информации, была назначена на 16 октября. В России презентация открытия проходила одновременно в Институте космических исследований РАН и Государственном астрономическом институте имени Штернберга МГУ.

Удивительное совпадение заключается в том, что утром 17 октября исполнилось 15 лет с того момента, как с космодрома Байконур стартовала ракета «Протон», которая вывела на орбиту европейско-российскую обсерваторию ИНТЕГРАЛ. Именно она зафиксировала гамма-всплеск 17 августа.

«Протон» вместо «Ариана»

Об истории запуска и основных результатах проекта ИНТЕГРАЛ, которые далеко не исчерпываются изучением нейтронных звезд, на пресс-конференции рассказал Александр Лутовинов, зав. лаб. ИКИ РАН, докт. физ.-мат. наук, профессор РАН, преподаватель МФТИ.

Конец 1980- х годов в СССР был очень удачным для астрофизики высоких энергий. У нас работали две обсерватории: «Рентген» на модуле «Квант» орбитальной станции «Мир» и еще более успешная обсерватория «Гранат», плод сотрудничества с французскими, датскими, болгарскими учеными. Первые результаты обсерватории «Гранат» вызвали большой энтузиазм в Европе, и практически сразу же начались обсуждения следующего проекта с условным названием «Гранат-2».

В конце концов в результате многочисленных встреч, обсуждений возможных конфигураций обсерватории, набора инструментов, вариантов запуска и родился проект ИНТЕГРАЛ. Необходимо сказать, что проект воплотился в жизнь благодаря сотрудничеству с Европейским космическим агентством, а также многолетнему труду и поддержке специалистов и ученых ГКНПЦ имени М. В. Хруничева, РКК «Энергия», Роскосмоса, институтов РАН.

Помню, как российская и европейская делегации прибыли на Байконур в 2002 году. На обтекателе ракеты, под которым была установлена обсерватория, было много росписей инженеров и специалистов, которые несколько месяцев провели на Байконуре, проводя все завершающие тесты. Мы тоже расписались, пожелав обсерватории доброго пути. Помню, как все волновались во время старта «Протона», во время отстыковки, как мы ждали первого сообщения из Южной Америки, где стояла специальная передвижная антенна Роскосмоса. Когда сигнал был получен, стало понятно, что всё идет штатно, напряжение наконец-то немного спало, люди стали поздравлять друг друга и даже открыли бутылку коньяка.

На обсерватории ИНТЕГРАЛ установлено четыре прибора. Как и основные приборы обсерватории «Гранат», они работают по принципу кодирующей апертуры (способ построения изображения без использования фокусирующих систем типа линз и зеркал. — Ред.) . Это гамма-телескоп IBIS (Франция — Италия), германиевый спектрометр SPI (Франция — Германия) и вспомогательные мониторы для изучения объектов в рентгеновском (прибор JEM-X, Дания) и оптическом диапазонах (прибор OMC, Испания).

Спектрометр SPI предназначается для узкой спектроскопии в ядерных линиях, чтобы исследовать нашу Галактику с очень высокой точностью (E/ΔE≈ 500). Германий в спектрометре охлаждается до температуры –95 оС. Гарантированный срок работы обсерватории изначально был установлен в два года, а предполагаемое время работы оценивалось в пять лет. Однако европейские инженеры сделали настолько качественные приборы, что они работают все эти годы и, надеюсь, продолжат работать. Это очень здорово.

Благодаря тому что Россия предоставила ракету «Протон», орбита спутника отличается от запланированной при запуске ракетой «Ариан» с космодрома Куру во Французской Гвиане. Были долгие обсуждения и споры между нашими и европейскими баллистиками о том, какую схему выведения и какую орбиту выбрать. В итоге выбор остановился на вытянутой орбите с апогеем 153 тыс. км, перигеем 9 тыс. км и периодом обращения 72 часа.

Это улучшило эффективность обсерватории в 1,5 раза, так как она проводит около 85% времени вне радиационных поясов Земли. Вывод на орбиту был настолько точным, что позволил существенно сэкономить топливо для самой обсерватории. Оперативное время ее работы увеличилось с 5 до почти 30 лет. Завершение ее работы — вход в атмосферу — ожидается в 2029 году. Таким образом, Россия также внесла огромный вклад в проект, за что российские ученые получили право на 25% всех данных 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, если заявка одобрена Российским и Европейским комитетами по распределению наблюдательного времени, получить данные для их 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.

Охота на черные дыры и тайна хребта Галактики

Каковы результаты проекта к настоящему времени? Прежде всего, было открыто несколько сотен новых галактических источников жесткого рентгеновского излучения, их реестр увеличился почти в два раза. Мы узнали несколько новых популяций этих космических объектов. В оптическом диапазоне мы видим миллиарды звезд, но в жестких рентгеновских лучах каждый фотон, так сказать, на вес золота, поэтому регистрация любого нового объекта — большое событие. Мы зарегистрировали сотни скрытых сверхмассивных черных дыр [1], которые находятся в других галактиках за облаком из пыли и газа. ИНТЕГРАЛ их видит, потому что в жестком рентгене они светят достаточно ярко.

Благодаря длительным наблюдениям соседней с нами галактики Большое Магелланово Облако обсерватория ИНТЕГРАЛ обнаружила излучение в линиях радиоактивного титана-44 в остатке вспышки сверхновой 1987A. Это первое доказательство образования титана в момент взрыва этой звезды в феврале 1987 года — ближайшей к нам вспышки сверхновой за последние 400 лет.

В 2014 году была зафиксирована вспышка другой сравнительно близкой сверхновой в галактике М82. Запланированная программа наблюдений обсерватории была немедленно прервана, и начались наблюдения сверхновой. Тут важно отметить сотрудничество российских и европейских ученых и программных комитетов. Например, Российский комитет принял решение о выделении около миллиона секунд (около 278 часов) из российской квоты наблюдательного времени.

В результате обсерватория ИНТЕГРАЛ обнаружила в спектре сверхновой линии распада радиоактивного кобальта-56. Это первая регистрация того, как происходит синтез кобальта во время вспышек сверхновых первого типа, и это блестяще подтверждает теоретическую концепцию, согласно которой такие сверхновые возникают вследствие гигантских термоядерных взрывов белых карликов.

Кроме того, были построены высокоточные карты Галактики в ядерных линиях. Похоже, мы разгадали природу рентгеновского хребта Галактики [2]. Его излучение было впервые измерено с высокой точностью на энергиях выше 20 кэВ. На основе этих наблюдений можно сделать вывод, что до энергий 50—60 кэВ излучение хребта Галактики порождает большое количество аккрецирующих белых карликов. (Аккреция — процесс приращения массы небесного тела путем гравитационного притяжения материи, обычно газа, из окружающего пространства.)

Благодаря сверхглубоким наблюдениям обсерватории ИНТЕГРАЛ теперь практически вся Галактика до светимости 2×1035 просматривается насквозь, вплоть до самого дальнего конца. Мы достигаем предельной чувствительности 0,15 миллиКраба. (1 Краб равен плотности потока энергии от Крабовидной туманности — это сильнейший в нашей Галактике постоянный источник излучения в рентгеновском и гамма-диапазоне.)

По результатам работы обсерватории ИНТЕГРАЛ российские ученые опубликовали более 300 научных статей, в том числе несколько в журнале Nature, защитили 12 кандидатских и 6 докторских диссертаций (еще несколько на подходе). Выросло новое поколение астрофизиков.

С 2015 года мы активно сотрудничаем с проектом LIGO/VIRGO в поиске гамма-излучения, сопровождающего гравитационно-волновые события. Это привело к недавнему замечательному открытию слияния нейтронных звезд, в котором обсерватория ИНТЕГРАЛ сыграла одну из ключевых ролей. Суммируя вышесказанное, можно сказать, что обсерватория и мы все уверенно шагаем в новую астрофизику под модным названием multi-messenger astronomy [3]. Впереди много новых открытий.

Тайная вечеря в отеле Schweizerhof

Неожиданными подробностями сотрудничества с Европой по проекту ИНТЕГРАЛ на той же пресс-конференции поделился директор Института космических исследований РАН, член Президиума РАН Лев Зелёный:

На первом этапе судьба проекта ИНТЕГРАЛ висела на волоске. Все помнят, что это было за время — тяжелые девяностые годы. Даже более важные соглашения не всегда выполнялись. И долгое время было до конца неясно, предоставит ли Россия обещанную ракету для запуска обсерватории. Финансовые возможности были ограниченны.

И вот осенью 1998 года (я очень хорошо это помню) в Берне, в гостинице Schweizerhof, состоялась международная встреча представителей космических агентств NASA (США), ESA (Европа), JAXA (Япония) и Роскосмоса. Там присутствовал руководитель научной программы ESA профессор Роже Боне (Roger Bonnet). Кстати, он недавно был в нашем Институте космических исследований и принимал активное участие в мероприятиях, посвященных 60-летию запуска первого спутника. Отсутствие обещанной ракеты очень сильно влияло на всю научную программу Европейского космического агентства. Было ясно, что, если Россия вопреки обещаниям не примет участия в проекте ИНТЕГРАЛ, сорвется проект Mars Express, потому что придется внеплановым образом тратить выделенные на него деньги.

Однажды глубокой ночью нашу делегацию разбудили и сказали: «С вами хочет встретиться профессор Боне». Мы были чуть ли не в пижамах, а Роже Боне — в черном костюме и галстуке. Он сказал, что, если Россия подведет ESA на первом этапе, сотрудничества не будет, потому что посыплется вся дальнейшая программа, сработает эффект домино.

После этого научный руководитель проекта ИНТЕГРАЛ Рашид Сюняев и директор ИКИ РАН Альберт Галеев обратились к президенту Академии наук Юрию Осипову, тот звонил в Кремль, в Москву приехал сам Роже Боне, и машина закрутилась. Благодаря общим усилиям в сентябре 1999 года вышло постановление правительства РФ о запуске ИНТЕГРАЛА. Тайная вечеря в гостинице Schweizerhof оказалась решающей. Хочется вспомнить добрым словом Роже Боне, большого друга нашей страны, активиста сотрудничества с Россией, благодаря которому этот трудный перевал был пройден.

Опыт проекта ИНТЕГРАЛ оказался очень важным. Коллеги из Европы стали нам доверять. С тех пор российские ученые участвовали в других проектах ESA. Аппараты Mars Express, Cluster (проект по изучению земной магнитосферы), Venus Express, ExoMars-2016 были успешно выведены в космос нашими ракетами «Союз-Фрегат» на коммерческих условиях. Так что сотрудничество в итоге оказалось выгодным не только для ученых, но и для нашей ракетной промышленности. Вскоре отправится в космос станция ExoMars-2020. А в настоящее время мы активно обсуждаем с ESA общую программу дальнейшего изучения Луны.