"ИНТЕГРАЛ" В КОСМОСЕ: НАЧАЛО НОВОЙ ЭРЫ
В ГАММА-АСТРОНОМИИ
Недавно произошло событие, которое многие считают началом новой
эры в гамма-астрономии. 17 октября с космодрома Байконур
российская ракета-носитель "Протон" вывела на околоземную орбиту
научно-исследовательский спутник "INTEGRAL", полное название
которого — INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory —
на русский язык переводится как "Международная лаборатория
астрофизики гамма-лучей". Непосредственное отношение к этому имеет
Сибирское отделение РАН.
А.Шехтман,
научный сотрудник Университета Джорджа Мейсона
(Научно-исследовательская лаборатория ВМФ, Вашингтон, США),
к.ф.-м.н.
Я.Васильев,
вед. н. сотр. ИНХ СО РАН, к.х.н.
Астрономия — одна из самых древних наук. С незапамятных времен
люди смотрели на ночное небо, наблюдая — сначала невооруженным
глазом, а со временем через все более сильные телескопы — свет
далеких звезд и галактик. Но видимый свет — лишь один из видов
электромагнитного излучения с длиной волны 0.4-0.6 микрона, что
соответствует энергии фотонов 2-3 электронвольта (эВ). Как
обнаружили в XX столетии, спектр электромагнитного излучения,
идущего из космоса, намного шире: он простирается от радиоволн с
длиной волны в сантиметры и миллиметры до гамма-излучения с
длиной волны в миллионы и миллиарды раз короче, чем у видимого
света. Соответствующие энергии фотонов измеряются уже в
мегаэлектронволтах (МэВ) и гигаэлектронвольтах (ГэВ). Возникла
гамма-астрономия — специальная отрасль астрономии, изучающая
гамма-излучение космических объектов.
Над
созданием космической лаборатории в течение 10 лет работала
большая международная коллаборация научных лабораторий из стран
членов ESA (Европейского космического агенства): Германии,
Франции, Италии, Дании, Швейцарии и Испании. Существенный вклад
внесли также США, Россия, Польша и Чехия, которые в ESA не
входят.
Научное оборудование станции, весящей 4 тонны, обошлось
европейским налогоплательщикам в 330 млн евро. Характерно, что в
заметке научного обозревателя газеты "Известия" С.Лескова
говорится о 33 млн евро. Увы, в представлении российского
журналиста 33 млн евро — это уже впечатляющая сумма для расходов
на грандиозный научный проект...
 |
| С космодрома Байконур стартует российская ракета-носитель
"Протон" со спутником "ИНТЕГРАЛ".
|
"INTEGRAL" — первый спутник, пришедший на смену космической
обсерватории CGRO (Compton Gamma Ray Observatory), которая была
запущена американским космическим агенством NASA 1991 году.
Обсерватория завершила свое существование летом 2000 года,
успешно проработав на орбите в течение 9 лет и получив уникальные
научные результаты. Четыре инструмента, установленные на CGRO:
BATSE, OSSE, COMTEL и EGRET — регистрировали гамма-излучение в
диапазоне энергий от 30 кэВ до 30 ГэВ.
Один из наиболее удивительных результатов CGRO — обнаружение на
небе более 200 точечных источников гамма-излучения, 66 из которых
были проидентифицированы как активные ядра галактик, удаленных от
нас на сотни миллионов световых лет. Большая часть энергии,
излучаемой этими объектами, испускается именно в диапазоне
гамма-излучения. Характерное свойство активных ядер галактик —
быстрое изменение интенсивности излучения, которое происходит в
течение одного дня, а иногда и одного часа. Согласно существующей
сейчас теоретической модели, активные ядра галактик представляют
собой огромные черные дыры с массой, в миллиарды раз превышающей
массу солнца. При поглощении черной дырой окружающего вещества
освобождается колоссальная энергия гравитационного притяжения,
которая и испускается в виде гамма-излучения. Выдвинута гипотеза,
что черная дыра находится в центре каждой галактики, включая
нашу, в начале своей эволюции она ведет себя очень активно, но со
временем она поглощает находящееся вблизи вещество, переходит в
спокойное состояние и интенсивность излучения падает.
Другой фундаментальный результат CGRO — регистрация более 2000
гамма-вспышек (Gamma Ray Bursts). Вспышки длятся 10-20 секунд,
никак не связываются с какими-либо видимыми объектами и никогда
не приходят дважды из одной и той же точки небосвода. Природа
вспышек пока не выяснена, но их равномерное распределение по
небесной сфере указывает на экстрагалактическое происхождение.
Это лишь два наиболее интригующих результата, полученных за 9 лет
наблюдений на CGRO. Было и много других, касающихся распределения
химических элементов в нашей галактике, гамма-излучения
нейтронных звезд, процессов, протекающих в галактическом центре,
и вспышек на солнце. Весь этот длинный список интересных
астрофизических задач входит и в научную программу станции
"INTEGRAL", которая по сравнению со своей предшественницей обладает
во много раз более высокой чувствительностью и точностью угловых
и спектральных измерений. Поэтому ожидается, что количество новых
источников гамма-излучения, найденных станцией "INTEGRAL", будет
измеряться уже не сотнями, а тысячами.
 |
| Аэрокосмическая лаборатория "Интеграл" на орбите.
|
"INTEGRAL" предназначен для регистрации гамма-излучения с энергией
до 10 МэВ, что заметно меньше, чем у CGRO (у нее верхняя граница
30 ГэВ). Это связано с тем, что более энергичные гамма-лучи будут
регистрироваться другими гамма-телескопами, которые должны начать
работу в ближайшие годы. В частности, спутник GLAST (Gamma-ray
Large Area Space Telescope) с диапазоном энергий 10 МэВ — 300
ГэВ, запуск которого намечен NASA в 2006 году. Следует упомянуть
также наземные гамма-телескопы для регистрации гамма-лучей с
энергией еще в тысячу раз выше (50 ГэВ — 50 ТэВ): это
европейский проект HESS, сооружаемый сейчас в Намибии, и
американский проект VERITAS. Видно, что "INTEGRAL", действительно,
первый из большого семейства гамма-телескопов нового поколения.
На борту спутника "INTEGRAL" установлены два основных прибора: IBIS
(Imager on Board of Integral Satellite) и SPI (SPectrometer at
Integral). IBIS ориентирован на получение высококачественных
гамма-изображений участков небосвода, а SPI — на точное
измерение спектра излучения. В качестве чувствительных элементов
в SPI используются полупроводниковые детекторы из германия, а в
IBIS — матрица 128х128 из кристаллов теллурида кадмия, за
которой расположена матрица 64х64 из кристаллов иодида цезия.
Первый слой используется для энергий до 500 кэВ, второй — для
более высоких.
Поскольку объективов для гамма-лучей не существует, на месте
объектива и в IBIS и в SPI стоят так называемые кодированные
маски. Это пластина из материала, непрозрачного для гамма-лучей
(вольфрам) с отверстиями, образующими специально рассчитанный
узор. В результате каждый точечный источник в поле зрения
телескопа будет давать изображение этого узора на чувствительной
матрице, и хотя изображения нескольких источников будут
накладываться друг на друга и перекрываться, с помощью
специальной математической процедуры можно восстановить
правильное расположение источников в поле зрения. Это позволяет
получить угловое разрешение, соответствующее размеру одного
отверстия, но выиграть в чувствительности пропорционально
количеству отверстий в маске.
Однако, чтобы гамма телескоп работал, нужно защитить
чувствительные элементы от фонового излучения, которое в изобилии
присутствует в космосе и проникает через нижнюю и боковые стенки
телескопа. Для этого каждый из приборов окружен так называемым
вето-экраном из сцинтилляционных счетчиков, изготовленных из
кристаллов германата висмута (BGO). Если фотон или заряженная
частица, прежде чем вызвать сигнал в чувствительной матрице,
проходит через вето-экран, то выработанный им сигнал запрещает
срабатывание основного элемента и таким образом исключает влияние
фонового излучения.
Вето-экран играет и еще одну важную роль: он подавляет
регистрацию фотонов, если при этом не вся энергия фотона была
поглощена в чувствительном элементе, а часть ее унес электрон,
выбитый фотоном из материала детектора в результате т.н.
комптоновского рассеяния и попавший в вето-экран. Регистрация
таких событий привела бы к ухудшению точности измерения энергии.
Однако благодаря вето-экрану такие события удается исключить.
* * *
 |
| Руководитель группы по росту кристаллов ИНХ Я.Васильев.
|
Сибирская наука тоже причастна к гигантской работе над созданием
станции — кристаллические пластины для вето-экрана
IBIS-спектрометра были изготовлены в Институте неорганической
химии СО РАН. Для экрана потребовалось примерно 50 пластин
размером около 20х75х310 мм. К размеру и качеству материалу
предъявлялись рекордно высокие требования. Чтобы избежать
поглощения фотонов при больших размерах кристаллов, материал
должен был обладать уникальной прозрачностью и при этом быть
устойчивым к космической радиации. Хотя поставки были выполнены в
течение одного года, этому событию предшествовала многолетняя
кропотливая подготовка. Когда в 1995 году в ИНХ впервые
обратились специалисты из ESA, таких кристаллов никто в мире не
выращивал, и возможность изготовить огромные кристаллические
пластины в институте представлялась нереальной. К счастью,
определенный задел все-таки имелся — два небольших
радиационно-стойких кристалла BGO были выращены еще в 1992 году и
успешно эксплуатировались в мониторах светимости детектора КМД-2,
построенного в ИЯФ СО РАН. Т.е. можно было говорить о
принципиальной возможности достижения положительного результата.
 |
| Кристаллы германата висмута.
|
В марте 1996 года экспериментальные образцы радиационно-стойких
кристаллов BGO были посланы в Институт Макса Планка. Немецкие
физики обнаружили, что качество образцов из Новосибирска выше,
чем у кристаллов ведущего производителя BGO — французской фирмы
CRISMATEC. Еще через два месяца сотрудник ИЯФ СО РАН В.Смахтин
встретился на конференции в Италии с разработчиком IBIS-телескопа
профессором П.Убертини и обсудил с ним, как модифицировать
конструкцию вето-экрана с учетом развиваемой в Новосибирске
технологии выращивания кристаллов BGO. В том же 1996 году две
группы специалистов — из Института Макса Планка, германского
концерна Даймлер-Бенц и итальянской
аэрокосмической фирмы ЛАБЕН, — побывали в Академгородке,
ознакомились с исследовательскими работами ИНХ по росту
кристаллов (производство находилось тогда в зачаточном
состоянии), с работами ИЯФ по калориметру КМД-2, в котором
используются кристаллы BGO, посетили ИАиЭ и ИФП. Гости увидели
примеры того, что в Сибирском отделении умеют доводить научные
исследования до практической реализации, крепки связи между
институтами, и вопреки разговорам о смерти российской науки, она
жива, люди работают. ИНХ стал рассматриваться ими как серьезный
претендент на участие в тендере, главным соперником в котором
была фирма CRISMATEC, занимающая ведущие позиции в данной
области.
На пути получения заказа ИНХу пришлось преодолеть немало
барьеров, каждый раз подтверждая свою состоятельность. В конце
концов, фирма CRIMATEC получила заказ на кристаллы BGO для
вето-экрана спектрометра SPI, а ИНХ — на кристаллы для
IBIS-спектрометра. К моменту, когда спустя четыре года после
первых контактов начались регулярные поставки кристаллов,
институтом был пройден большой путь — удалось разработать
производственное оборудование, усовершенствовать технологию,
получить кредитные средства через проект Российского фонда
технологического развития для организации производства, наладить
испытания кристаллов и т.д. Здесь тот случай, когда научный
потенциал был реализован, и намеченное удалось успешно
осуществить. Сегодня качество кристаллов, достигнутое в работе
для аэрокосмического проекта, стало повседневной нормой.
К сожалению, работа для станции "INTEGRAL" запомнилась не только
этим. После завершения поставок органы, стоящие на страже
государственных интересов, обнаружили "в действиях Института
неорганической химии СО РАН признаки состава правонарушения".
Дважды платежи не успевали дойти до Сибакадембанка в сроки,
предусмотренные российским законодательством, т.е. в течение 90
дней со дня отправки кристаллов, из-за длительной процедуры
технической приемки каждой партии (почти два месяца). Закон суров
и порой несправедлив. После унизительной процедуры институт был
оштрафован, а надзорные органы отчитались об очередном успехе в
борьбе с утечкой капитала за рубеж.
Фото Ф.Кузнецова и из архива группы.
стр. 3
|
