INTEGRAL obserwuje Wszechświat

W dniach 16 – 20 lutego 2004 r. w Monachium odbyła się konferencja poświęcona pierwszym obserwacjom dokonanym przez satelitę INTEGRAL. Licznie wzięli w niej udział astronomowie z Polski, jako że nasz kraj uczestniczył w przygotowaniu misji i uzyskał dostęp do danych obserwacyjnych w tzw. czasie gwarantowanym, jak również na podstawie projektów zgłoszonych w otwartym konkursie

Astronomia w promieniach gamma

Światło widzialne, jakie dociera do naszych oczu na przykład ze Słońca, jest tylko jednym z zakresów promieniowania elektromagnetyczego. Uczeni korzystają jednak z danych zawartych w całym widmie tego promieniowania, począwszy od fal radiowych, poprzez podczerwień, optykę, nadfiolet, aż po promienie rentgenowskie i gamma.

Rys. 1. Satelita INTEGRAL (rysunek artystyczny)

Astronomia rentgenowska i gamma powstała w latach 60. XX stulecia i obecnie, dzięki niezwykłemu postępowi technicznemu i możliwości wysyłania coraz to nowych misji kosmicznych, jest jedną z najszybciej rozwijających się gałęzi astrofizyki. Promienie gamma są jeszcze bardziej przenikliwe od promieni Roentgena, używanych w medycynie, jednak większość z nich jest zatrzymywana w atmosferze i nie dociera do powierzchni Ziemi. Z tego powodu obserwacje w tym zakresie muszą być dokonywane przez satelity krążące po orbicie okołoziemskiej.

Zakres promieniowania gamma obejmuje najbardziej energetyczne fotony, jakie do nas docierają. Przynoszą one informacje z najdalszych zakątków Wszechświata, z wnętrz kwazarów i jąder aktywnych galaktyk, z tajemniczych błysków gamma, a także z niezwykłych obiektów znajdujących się w naszym „bliskim” sąsiedztwie, takich jak akreujące czarne dziury, mikrokwazary, gwiazdy neutronowe czy też wybuchy supernowych. Duże ilości fotonów gamma docierają do nas również z ośrodka międzygwiazdowego w dysku naszej Galaktyki, stanowiąc ślad nukleosyntezy pierwiastków i będąc wynikiem oddziaływania materii ośrodka z cząstkami promieniowania kosmicznego.

Mechanizmy emisji promieniowania gamma są fascynującym zagadnieniem naukowym. Jasność źródeł tego promieniowania bardzo często zmienia się w skali sekund, godzin lub dni, dzięki czemu jest możliwe badanie obiektów kosmicznych produkujących olbrzymie ilości energii. Ponieważ silna aktywność jest znaczącym etapem w życiu gwiazd i galaktyk, jej badanie pozwoli nam lepiej zrozumieć ewolucję Wszechświata jako całości, jego hierarchiczną strukturę, jak również skład pchemiczny.

Misja INTEGRAL

Rys. 2. Trzy z czterech instrumentów znajdujących się na pokładzie satelity INTEGRAL wyposażone są w specjalne maski, zastępujące tradycyjne lustra i soczewki używane w teleskopach. Maska taka jest pokryta siatką „dziur”, przez które mogą przechodzić promienie gamma. Padają one na powierzchnię detektora pod kątem zależnym od kierunku, z którego nadeszły. W rezultacie „cień” rzucany przez maskę na detektor umożliwia odtworzenie obrazu źródła na niebie

Dotychczasowe obserwacje pokazały, że znaczna część energii obiektów kosmicznych jest emitowana w zakresie gamma. Obserwacje w tej dziedzinie nie są jednak łatwe, nawet spoza atmosfery ziemskiej. Fotony gamma są miliony razy bardziej energetyczne od fotonów światła widzialnego i dzięki temu mogą przenikać przez materię bardzo niewiele z nią oddziałując. Z jednej strony oznacza to, że możemy dzięki nim bezpośrednio badać źródła, które je wyemitowały, ale z drugiej strony stwarza olbrzymie trudności w ich detekcji: fotony gamma mogą przenikać przez tradycyjne urządzenia.

INTEGRAL (INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory) jest kolejnym satelitą obserwującym w zakresie gamma, przewyższającym jednak swych poprzedników pod względem czułości. Znajdują się na nim dwa specjalnie zaprojektowane teleskopy, z których pierwszy wykonuje „zdjęcia” obiektów w promieniach gamma, a drugi mierzy ich energię. Ponadto obserwacje wykonują również dwa dodatkowe urządzenia, monitor rentgenowski i kamera optyczna. Po raz pierwszy zatem będzie możliwa jednoczesna detekcja źródeł w szerokim zakresie energii, a porównanie danych optycznych, rentgenowskich i gamma pozwoli astronomom na dokładniejsze zbadanie procesów wysokoenergetycznych zachodzących w Kosmosie.

Rys. 3. Instrument IBIS

Polska uczestniczyła w budowie dwóch spośród czterech instrumentów satelity INTEGRAL. Detektor IBIS (Imager on Board the INTEGRAL Satellite) pozwala na lokalizację źródeł promieniowania gamma z dokładnością do 30 sekund łuku — odpowiada to zlokalizowaniu pojedynczego człowieka w tłumie odległym od nas o 1,3 km! Instrument pracuje w zakresie energii od 15 keV do 10 MeV.1 Detektor składa się z dwóch warstw, z których górna, zbudowana z tellurku kadmu (CdTe), rejestruje fotony o niższych energiach, a dolna, zbudowana z jodku cezu (CsI) odbiera fotony o wyższych energiach. Polscy inżynierowie, pod kierunkiem Piotra Orleańskiego z warszawskiego Centrum Badań Kosmicznych, wykonali dla tego detektora urządzenie elektroniczne dla systemu antykoincydencji, które znalazło się na pokładzie satelity.

Z kolei inna grupa pod kierunkiem Grzegorza Juchnikowskiego i Marka Morawskiego, również z Centrum Badań Kosmicznych w Warszawie, uczestniczyła w wykonaniu naziemnego systemu elektroniki i oprogramowania do przetwarzania danych dla instrumentu JEM-X (Joint European X-ray Monitor). Działa on w zakresie energii od 3 do 35 keV i z rozdzielczością kątową porównywalną do teleskopu IBIS. Detektor ten składa się z dwóch identycznych komór gazowych wypełnionych mieszaniną ksenonu i metanu pod ciśnieniem 1,5 atm.

Rys. 4. Instrument JEM-X

Uruchomienie satelity nastąpiło po prawie 10 latach przygotowań i testów, w których uczestniczyły instytucje z wielu krajów Europy oraz ze Stanów Zjednoczonych.

INTEGRAL został wystrzelony 17 października 2002 r. z kosmodromu Bajkonur w Kazachstanie, za pomocą rakiety Proton. Jest to największa rosyjska rakieta, o długości ponad 57 m i masie ponad 700 t. Rosyjska Agencja Kosmiczna zgodziła się bezpłatnie wystrzelić satelitę, w zamian za udział w jego czasie obserwacyjnym.

Główne centrum zbierania danych mieści się obecnie w Versoix pod Genewą. Tutaj również udział polskich uczonych jest znaczący: od 1996 r. do teraz pracowali tam kolejno Jerzy Borkowski, Daniel Rychcik i Piotr Lubiński. Ze strony polskiej zarówno współpracę z centrum w Genewie, jak i wykonanie elektroniki koordynował Andrzej Zdziarski z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika w Warszawie.

Pierwsze obserwacje

Misja INTEGRAL, początkowo planowana na 2 lata, została przedłużona do roku 2008. Pierwsze rezultaty, zaprezentowane na konferencji w Monachium, potwierdziły wysoką jakość danych, jakie można uzyskać z INTEGRAL-a.

Rys. 5. Rosyjska rakieta Proton

Najwięcej miejsca poświęcono obserwacjom rentgenowskich układów podwójnych. W układach takich, obok zwykłej gwiazdy, występuje tak zwany obiekt zwarty, czyli gwiazda neutronowa bądź czarna dziura. Są one znaczącymi źródłami promieniowania w zakresie rentgenowskim i gamma dzięki ogromnym polom grawitacyjnym, jakie wytwarzają wokół siebie. Pole to może przyspieszać cząstki w pobliżu gwiazdy neutronowej lub czarnej dziury do olbrzymich prędkości.

Jednym z najczęściej obserwowanych układów jest Cygnus X-1, zawierający czarną dziurę. Problemem nurtującym astrofizyków jest obecnie pytanie o rozkład prędkości cząstek emitujących twarde promieniowanie X i gamma w pobliżu czarnej dziury; nie wiadomo, czy jest on termiczny (rozkład Maxwella) czy też nietermiczny (taki, w którym znaczny procent cząstek osiąga bardzo duże prędkości). Obserwacje wykonane w listopadzie i grudniu 2002 r. wskazują na to, że elektrony emitujące promieniowanie w zakresie 100 – 300 keV, gdzie statystyka INTEGRAL-a jest bardzo dobra, są nietermiczne, gdyż nie zarejestrowano charakterystycznego obcięcia w widmie tego promieniowania.

Innym ciekawym źródłem jest Cygnus X-3, co do którego nie ma pewności, czy zawiera gwiazdę neutronową czy czarną dziurę. Wykonanie dokładnej analizy jego widma promieniowania i porównanie z widmami innych układów, których zmierzone funkcje mas pozwalają na stwierdzenie, że obiekt zwarty prawie na pewno jest czarną dziurą (jest zbyt ciężki na gwiazdę neutronową), powinno pozwolić na choćby częściowe rozwianie tych wątpliwości. Na razie parametry widma uzyskane między innymi dzięki pracy polskich uczonych z Centrum im. Kopernika, Andrzeja Zdziarskiego i Ani Szostek, są bardzo typowe dla układów podwójnych z czarną dziurą, na którą w bardzo dużym tempie opada materia z sąsiedniej gwiazdy. Ponadto INTEGRAL zaobserwował dwa nowe źródła, nazwane na razie IGR J16318-4848 i IGR J19140+098, bardzo podobne do Cygnusa X-3, który do niedawna był uważany za wyjątkowy w swojej klasie. Tym samym postuluje się, że źródła te stanowią ważne ogniwo w ewolucji masywnych układów podwójnych, które ostatecznie zakończą życie jako dwie krążące wokół siebie czarne dziury. Takich układów nie będziemy już jednak w stanie obserwować za pomocą teleskopów rentgenowskich, a jedyną oznaką ich istnienia będą fale grawitacyjne.

Szeroką kampanię obserwacyjną, w której uczestniczyli również polscy astronomowie, przeprowadzono dla źródła GRS1915+105. Jest to tak zwany mikrokwazar, czyli układ podwójny z czarną dziurą (tutaj rekordowo masywną — około 14 razy cięższą od Słońca!), który wyrzuca z olbrzymimi prędkościami dwie strugi materii, sięgające znacznych odległości. Emisja promieniowania X i gamma z tego źródła charakteryzuje się bardzo silną zmiennością w czasie, a wykresy przedstawiające tę zmienność (krzywe blasku) wyglądają bardzo różnie, w zależności od momentu obserwacji. Również widmo promieniowania tego mikrokwazara jest bardzo skomplikowane i jego kształt zmienia się bardzo szybko. Analiza zebranych obserwacji, których obecnie jest już bardzo wiele, być może przyczyni się do odpowiedzi na pytanie o to, jak właściwie powstają strugi materii wyrzucane z okolicy czarnej dziury.

Kolejna sesja poświęcona była pulsarom. INTEGRAL zaobserwował dotąd 15 pulsarów rentgenowskich, w tym słynny pulsar Vela X-1, dla którego zarejestrowano niezwykłe rozbłyski, o nie notowanej dotąd amplitudzie. Ponieważ nie zależą one od położenia gwiazdy neutronowej w ruchu orbitalnym, przypuszcza się, że odzwierciedlają one gwałtowne zmiany w tempie akrecji materii z towarzysza na tę gwiazdę. Ponadto spektrometr SPI stwierdził obecność linii emisyjnej o energii 53 keV, prawdopodobnie związanej z promieniowaniem cyklotronowym.

W obserwacjach pulsarów brali udział również polscy astronomowie, a wyniki obserwacji referował na konferencji Mirosław Denis z Centrum Badań Kosmicznych. Dla pulsara OAO.1657-415 wyznaczono dokładne parametry orbity w układzie podwójnym, na co pozwoliło porównanie zaobserwowanego przez INTEGRAL momentu zaćmienia z przewidywaniami opartymi na wcześniejszych obserwacjach satelity BATSE.

INTEGRAL obserwował również aktywne jądra galaktyk. W ich centrach znajdują się czarne dziury o masach rzędu milionów mas Słońca, na które z ogromną prędkością opada otaczający gaz. Jednym z takich jąder jest NGC 4151, obserwowany w maju 2003 r. równocześnie przez satelity INTEGRAL, XMM Newton i Rossi X-ray Timing Explorer. Wyniki tej kampanii obserwacyjnej, podczas której źródło znajdowało się w jednym z najjaśniejszych stanów, jakie kiedykolwiek zarejestrowano, przedstawił na konferencji Andrzej Zdziarski.

Niektóre z aktywnych jąder są tak jasne, że przyćmiewają blask całej macierzystej galaktyki. Są to kwazary. Część z nich wykazuje silną emisję również w dziedzinie radiowej, będącą wynikiem oświetlania odległych od kwazara obłoków gazowych przez wyrzucaną przez niego wąską strugę materii, tzw. dżet. W związku z tym istotne mogą okazać się równoczesne obserwacje w zakresie rentgenowskim i radiowym, jakie przeprowadzono na przykład dla kwazara 3C 273. Twarde promieniowanie X tego źródła pochodzi najprawdopodobniej z dżetu, a jego zmienność jest skorelowana ze zmiennością w zakresie radiowym.

Rys. 6. Centrum naszej Galaktyki obserwowane przez INTEGRAL (źrodło: ESA, F. Lebrun CEA-Saclay)

I wreszcie istotne informacje uzyskane dzięki pracy INTEGRAL-a dotyczą rozproszonej emisji rentgenowskiej i gamma w Kosmosie. Szczególnie ważne okazują się linie emisyjne niektórych pierwiastków, takich jak glin, żelazo, tytan czy nikiel, będące swego rodzaju „odciskami palców” pozostawionymi przez te pierwiastki w promieniowaniu gamma. Pomiary tych linii stanowią doskonałą metodę badania procesów nukleosyntezy, zachodzących podczas kosmicznych eksplozji (np. supernowych, hipernowych). Są one również istotne z punktu widzenia teorii ewolucji gwiazd, na przykład olbrzymów typu O lub gwiazd typu Wolfa-Rayeta, emitujących bardzo silne wiatry gwiazdowe (linia glinu na 1890 keV). Ponadto obserwacje tych linii umożliwiają badanie kinematyki ośrodka międzygwiazdowego.

Z ostatniej chwili…

Rys. 7. Członkowie Komitetu Organizacyjnego w towarzystwie pań z sekretariatu LOC. Pierwszy z lewej — Gottfried Kanbach; pierwszy z prawej — Giselher Lichti; trzeci z prawej — Volker Schoenfelder

Jak ostatnio podała Europejska Agencja Kosmiczna (artykuł ukazał się w najnowszym wydaniu „Nature” z 18 marca 2004 r.), INTEGRAL-owi udało się zbadać rozproszone promieniowanie gamma pochodzące z centrum naszej Galaktyki i rozdzielić jego źródła na prawie 100 pojedynczych obiektów. Było to możliwe dzięki bardzo wysokiej zdolności rozdzielczej instrumentu IBIS na pokładzie INTEGRAL-a.

Zdolności takiej nie posiadały poprzednie misje kosmiczne, które przez ostatnie 30 lat usiłowały rozwiązać zagadkę rozproszonej emisji gamma. Ponieważ nie potrafiły one rozdzielić źródeł tego promieniowania, sugerowano, iż pochodzi ono z ośrodka międzygwiazdowego. Jednak żaden ze znanych mechanizmów oddziaływań cząstek w takim ośrodku nie byłby w stanie wyprodukować promieniowania o obserwowanym natężeniu.

Na razie nie wiadomo, czym dokładnie są obiekty zaobserwowane przez INTEGRAL. Być może są to akreujące czarne dziury znajdujące się w układach podwójnych nie znanej dotychczas klasy, możliwe są też inne interpretacje. Jedno jest natomiast pewne: generowana przez nie energia odpowiada za niemal 90% emisji tła w zakresie miękkich promieni gamma w centrum naszej Galaktyki.

Źródłem wszystkich ilustracji jest ESA: http://sci.esa.int, natomiast fotografie wykonane uczestnikom konferencji, zostały zamieszczone w większej ilości na stronie: http://www.mpe.mpg.de/gamma/instruments/integral/workshop/www/Pic-tures/

Agnieszka Janiuk pracuje w CAMK PAN w Warszawie. Zajmuje się astrofizyką wysokich energii, a jej główną pasją są dyski akrecyjne w aktywnych jądrach galaktyk i układach podwójnych