Integral - gammasatelliten

av Stefan Larsson. Publicerat i tidsskriften Populär astronomi, årgång 3, nr. 2, 2002.

Integral står för International Gamma Ray Astrophysics Laboratory och är namnet på ett satellitburet observatorium avsett att studera de mest extrema fenomenen i universum. Utrustad med fyra teleskop kommer instrumenten att samtidigt registrera bilder, spektra och ljuskurvor över ett brett energiområde i röntgen- och gammastrålning. Samtidigt tar ett av instrumenten bilder i vanligt visuellt ljus. I oktober är satelliten klar för uppsändning.

Nästan tjugo år efter att de första idéerna presenterades och nio år efter ESA:s beslut att genomföra projektet är det nu bara månader kvar till uppsändningen av gammasatelliten Integral. Den kommer att ske med en rysk raket av typ Proton från Baikonurbasen i Kazakstan i oktober i år. Direkt efter uppsändningen genomförs som alltid tekniska kontroller och tester av satellit och instrument. Därefter riktas teleskopen mot ett av himlens mest spännande gammastrålare, svartahål-kandidaten Cygnus X-1, för en 10 dygn lång kalibreringsobservation. Det blir inte bara ett test av att allt fungerar som det skall utan instrumentteamen ser också fram emot att testa modeller för gasflöden och strålning kring svarta hål. Integral kommer att studera det spektralområde där man bl.a. kan observera pulsarer, massinflöde mot svarta hål och neutronstjärnor, och kanske framförallt radioaktivt sönderfall från isotoper som produceras i t.ex. supernovor och interstellär gas. Men låt oss börja med att titta på gammaastronomins bakgrund och utveckling innan vi går in på vad Integral förväntas åstadkomma.

Vad är gammaastronomi?

Ljus, eller elektromagnetisk strålning, med våglängd kortare än c:a 0,01 nanometer (nm) betecknas som gammastrålning. Regeln är att ju kortare våglängd man har desto högre energi har varje foton i strålningen. När man observerar röntgen- och gammastrålning så mäter man verkligen energin hos individuella fotoner. Därför är det naturligare att arbeta med fotonenergi som enhet än med strålningens våglängd. 0,01 nm motsvarar ungefär 100 keV (kiloelektronvolt) och gammaområdet täcker ett enormt energiintervall med energier upp till 1017 eV (100 000 biljoner eV). Eftersom varje foton har hög energi så blir antalet detekterade fotoner alltid mycket lägre än när man observerar i t.ex. synligt ljus. Till och med för den mest lågenergetiska gammastrålningen bär en gammafoton på nästan lika mycket energi som 100 000 fotoner av synligt ljus! Både observationsmetoder och strålningens ursprung varierar kraftigt över gammastrålningens breda spektralområde. För de högsta energierna är osäkerheterna fortfarande stora både i observationer och i tolkningar.

Snabb utveckling

Under 1900-talets andra halva har astronomer fått möjlighet att observera i stort sett hela det elektromagnetiska spektret, av vilket det synliga ljuset bara är en liten del. Men redan på 1920-talet trodde man sig ha påvisat kosmisk gammastrålning. Tio år tidigare hade mätningar visat på jonisationen i atmosfären som ökade ju högre upp man kom. Den höghöjdsstrålning , som orsakade jonisationen, antogs vara den eftersökta gammastrålningen och döptes av den amerikanske fysikern Robert Andrews Millikan till kosmisk strålning. Nya mätningar i slutet på 1920-talet visade dock att denna strålning inte alls var gammastrålning utan bestod av energirika partiklar, mestadels atomkärnor av skilda slag. Den första verkliga observationen av kosmisk gammastrålning gjordes först 1958 när ett ballongexperiment påvisade strålning från ett utbrott på solen.

Några år senare gjordes den första observationen av gammastrålning från källor utanför solsystemet när satelliten Explorer 11 påvisade totalt 31 fotoner med energi över 50 MeV. Nya experiment följde. De två viktigaste var HEAO-3 i slutet på 1970-talet och Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) som var i bruk under nästan hela 1990-talet. HEAO-3 detekterade radioaktivt sönderfall av aluminium i Vintergatan. CGRO användes för att studera spektra för aktiva galaxkärnor, svartahålkandidater och pulsarer bland annat. Dessutom påvisade man många källor i Vintergatan som fortfarande inte kunnat identifieras. Mer och mer information samlades också om de kortvariga och mystiska gammastrålningsutbrott som upptäcktes i slutet på 1960-talet. Ett fenomen som gäckat forskarna i över 30 år.

En gammaastronom ser på universum

Om vi en mörk och klar kväll går ut och tittar upp på stjärnhimlen kan vi kanske se ett par tusen stjärnor. Hade vi i stället kunnat se himlen i gammaljus så hade vi inte sett lika många ljuskällor men det vi hade sett hade varit spektakulärt. Mot bakgrund av en Vintergatan som glöder av radioaktiv strålning och en och annan avlägsen kvasar är gammahimlen dynamisk. Kompakta kroppar längs Vintergatan som hela tiden fluktuerar i ljusstyrka, periodiskt blinkande pulsarer, och någon gång per dygn ett bländande gammastrålningsutbrott som under någon sekund lyser starkare än allt annat i universum. I gammastrålningen ser vi de mest energirika processerna och fenomenen. Här följer ett axplock av de olika fenomen vi kan observera:

Gammastrålningsutbrott ("bursters")

Dessa utbrott upptäcktes av amerikanska militära satelliter som var avsedda att övervaka förbudet mot kärnvapenexperiment i atmosfären. Några sådana fann man inte, men i stället påvisade man korta skurar av intensiv gammastrålning, inte från jorden utan från rymden. Skurarna kunde vara från en bråkdel av en sekund till flera hundra sekunder. Efterhand som fler och fler utbrott observerades kunde man konstatera att de kom från riktningar som verkade vara slumpvis fördelade över himlen. Betydde det att de kom från källor som var nära vårt solsystem eller från himlakroppar som var fördelade över hela universum? Det var inte förrän i mitten på 1990-talet som man med hjälp av den italiensk-nederländska satelliten SAX kunde lokalisera dessa gammastrålningsutbrott så noga att man kunde konstatera att de faktiskt ägde rum i avlägsna galaxer. Kanske observerar vi genom gammastrålningsutbrotten chockvågor som uppstår när ett svart hål bildas!

Aktiva galaxkärnor

I centrum på många, kanske t.o.m. de flesta galaxer finns ett supertungt svart hål. Nära centrum styr det svarta hålets starka gravitationsfält stjärnornas och gasens rörelse. Genom att mäta dessa hastigheter har man i många fall kunnat uppskatta massan för det svarta hålet. Eftersom den roterande gasen har friktion (viskositet) så bildar den en skiva i vilken gasen spiraliserar in mot det svarta hålet. Samtidigt hettas den upp av friktionen och når till sist temperaturer på miljoner eller hundratals miljoner grader. Den heta gasen lyser intensivt med röntgen- och gammastrålning. Den våldsamma energi som frigörs accelererar dessutom en del av gasen så att den skjuts ut i två motsatt riktade strålar (s.k. jets). Materien i strålningen når hastigheter mycket nära ljushastigheten och sänder ut mest ljus i strålens riktning. Råkar strålen peka mot oss ser vi intensiv gammastrålning (en s.k. blazar).

Vintergatans centrum

Även i Vintergatans centrum finns en röntgen- och gammakälla som associerats med ett tungt svart hål. Från mätningar av stjärnhastigheter nära centrum har dess massa uppskattats till några miljoner solmassor.

Grundämnessyntes och supernovor

Direkt efter stora smällen (big bang) bestod universum i stort sett bara av väte och helium. De tyngre grundämnena har uppkommit genom kärnreaktioner inuti stjärnor. Genom massutkastning från stjärnor eller supernovaexplosioner har en del av de tyngre ämnena sedan återförts till rymden mellan stjärnorna. Resultatet av processerna kan man studera genom att mäta sammansättningen av stjärnor och av denna interstellära gas. Många av de ämnen som kastas ut vid t.ex. supernovaexplosioner är radioaktiva med olika långa halveringstider. Från supernovan 1987A i Stora magellanska molnet detekterade man gammastrålning från radioaktivt sönderfall av koboltisotopen ⁵⁶Co.

Pulsarer

Många gammakällor, speciellt vid högre energier har visat sig vara pulsarer, dvs snabbt roterande och magnetiska neutronstjärnor. Det finns fortfarande många frågetecken kring dessa märkliga bildningar. Var genereras strålningen? Vilken eller vilka är strålningsmekanismerna?

Svarta hål

Ett möjligt slutstadium i de tyngsta stjärnornas utveckling är ett svart hål. I Vintergatan finns ett tiotal röntgendubbelstjärnor med egenskaper som tyder på att den kompakta stjärnan inte är en neutronstjärna utan ett svart hål. En påtaglig skillnad är att neutronstjärnor har en fast yta som lyser i mjuk ( energifattig ) röntgenstrålning. Svarta hål har ingen fast yta och svartahål-kandidaterna saknar naturligt nog därför den strålningskomponenten.

Gammateleskop

Redan för 20 år sedan stod det klart att det fanns ett behov för gammainstrument med bättre upplösningsförmåga såväl i spektrum som i vinkel. För lågenergetisk gammastrålning upp till 10 MeV hade man redan då påvisat radioaktivt sönderfall i interstellära mediet. Den begränsade vinkelupplösningen gjorde det då svårt att särskilja individuella källor. Att konstruera ett avbildande teleskop med hög upplösning är dock inte helt lätt när det gäller gammastrålning. Den energirika strålningen kan nämligen inte fokuseras med hjälp av speglar eller linser som man gör för t.ex. synligt ljus. Gammastrålningen skulle bara gå rätt in i spegeln och absorberas i stället för att reflekteras. Ett avbildande teleskop måste alltså konstrueras på ett annat sätt. Det finns i huvudsak två sätt att gå till väga:

1. Man konstruerar en detektor som kan mäta från vilken riktning fotonerna kommer. Denna metod används vid höga energier, över 10 MeV. Då bestämmer man riktning och energi för individuella fotoner genom att mäta spåren från de partiklar som fotonen skapar när den träffar detektorn.

2. Man kan avgränsa det fält på himlen som instrumentet ser. Då observerar man en punkt i taget och skapar en bild genom att svepa teleskopet över himlen.

En variant av 2 är att använda en kodad mask. Den gamla hålkameran är exempel på detta där man placerar en skärm med ett hål framför en fotografisk film. Olika punkter på filmen ser ut genom hålet i olika riktningar, alltså blir det en bild på filmen. Nackdelen är att mycket lite ljus kommer genom hålet i masken och skall vi observera gammastrålning så vill vi fånga upp så många som möjligt av de få fotoner som når oss. Då kan vi i stället använda en mask med många hål. Om alla fotoner kommer från samma riktning (från en källa) så blir det ett tydligt skuggmönster på detektorn och från mönstrets läge kan källans position bestämmas. Om det finns fler källor i synfältet så blir det flera förskjutna och överlagrade skuggmönster. Även om det är många källor som skapar ett gytter av förskjutna och överlappande skuggmönster på detektorn så går det att matematiskt rekonstruera en bild av det himmelsområde man observerar. Denna teknik har redan framgångsrikt använts för flera mindre satellitinstrument.

Nordiskt deltagande

Medan ESA ansvarar för själva satelliten så konstrueras och byggs instrumenten av fyra konsortier med medlemmar från de olika ESA-länderna plus ytterligare några länder utanför ESA. JEM-X är det instrument som har nordiskt deltagande. Huvudansvarig för JEM-X är Niels Lund vid Dansk Rumforskningsinstitut i Köpenhamn. Delar av instrumentet tillverkas dessutom i Finland, Italien och Spanien. Sverige deltar också genom Stockholms observatorium som ansvarar för delar av den mjukvara som utvecklas för instrumentet. Dessutom kommer JEM-X-teamets datacenter att vara lokaliserat till Stockholm.

Datacenter i Genève

All kommunikation med satelliten går via ESA:s markstation i Darmstadt, Tyskland. Från satellitstationen skickas observationsdata via en datalänk till Integralprojektets datacenter i Versoix utanför Genève. Inom något tiotal sekunder har data genomgått en automatisk sökning efter eventuella gammastrålningsutbrott eller andra nya objekt där det är intressant att snabbt kunna följa upp upptäckten med andra observationer. Alla data genomgår också automatisk en preliminär analys och distribueras vidare till observatörerna. För JEM-X-teamets observationer hamnar data i databasen i Stockholm.

Observationsprogrammet

Integral är konstruerad för en livslängd på 2 år med möjlighet till en förlängning med ytterligare 3 år. Av den tillgängliga observationstiden kommer under de olika åren mellan 25 och 35% att gå till instrumentteamen. Resten fördelas genom ett ansökningsförfarande som är öppet för alla forskare världen över. En stor del av instrumentteamens observationer kommer att användas för kartläggning av vintergatsplanet och Vintergatans centrum. Avsikten är bland annat att studera hur radioaktiva isotoper är fördelade i Vintergatan. På det sättet kan man t.ex. hitta spår efter supernovaexplosioner. Tidigare har man från ett par supernovarester påvisat linjestrålning vid 1,157 MeV som härrör från radioaktivt sönderfall av titanisotopen ⁴⁴Ti. Denna har en halveringstid på 78 år. Alltså kan man bara observera sådan strålning de närmaste århundradena efter en supernovaexplosion. Halveringstiden för aluminiumisotopen 26Al är å andra sidan över en miljon år så med hjälp av den strålningen får man information om supernovor i Vintergatan under de senaste årmiljonerna. Skulle det dessutom ske en supernovaexplosion i någon närbelägen galax så har Integral kapacitet att detektera det radioaktiva sönderfallet av koboltisotoperna ⁵⁶Co och ⁶⁰Co. Dessa observationer är viktiga för att testa modeller för supernovaexplosioner.

Från tidigare experiment vet man att det i Vintergatan också finns källor som emitterar strålning vid 511 keV, vilket har sitt ursprung i s.k. elektron-positronannihilation, dvs. när en elektron träffar en positron och de båda partiklarna omvandlas till strålning. Elektroner finns det gott om i Vintergatan men inte positroner. De senare kan skapas när partiklar kolliderar vid höga hastigheter, t.ex. nära svarta hål eller när partiklar i den kosmiska strålningen passerar igenom interstellära gasmoln. Känner man densiteten i gasmolnet kan man beräkna hur intensiv den kosmiska strålningen är eller vice versa. En av målsättningarna med kartläggningen av Vintergatans centrum är att man räknar med att upptäcka s.k. röntgennovor, vilket är utbrott hos dubbelstjärnor där ena komponenetn tros vara ett svart hål. Att fånga upp sådana utbrott, som brukar vara några månader, är det effektivaste sättet att hitta svartahål-kandidater i Vintergatan. Utbrotten orsakas av en kraftig ökning i massflödet ner mot det svarta hålet (eller kanske i en del fall neutronstjärnan). Genom att studera hur strålningens spektrum över hela röntgen- och gammaområdet varierar under utbrottet kan man testa teoretiska modeller för gasflöde och strålningsemission kring svarta hål och neutronstjärnor (se även omslagsbilden).

Observationer av gammastrålningsutbrott är ett annat område där Integral kan producera intressanta resultat. Eftersom Integral inte genergi-astrofysik observerar över hela himlen så kan den inte påvisa alla gammastrålningsutbrott men vissa utbrott, kanske något tiotal per år, borde helt slumpmässigt hamna inom teleskopets synfält. Med Integrals höga känslighet, spektrala bredd och upplösning kommer projektet med säkerhet att ge ett viktigt bidrag till den fortsatta utforskningen av dessa utbrott.

STEFAN LARSSON är forskare vid Stockholms observatorium och arbetar med mjukvaran till Integral.

---

Skicka kommentarer till stefan@astro.su.se.