INTEGRAL a Česká republika (1)

Jak jsme se do projektu dostali

V sedmdesátých a osmdesátých letech existovalona Astronomickém ústavu Akademie věd ČRv Ondřejově velké oddělení pro kosmický výzkum, řešící především úkoly programu INTERKOSMOS. K prioritám této skupiny patřil výzkum kosmickýchzdrojů - především Slunce - v oblasti vysokýchenergií, zejména v rentgenovém záření. I když bylopo řadu let těžiště těchto prací v oblasti slunečníastrofyziky, přinesl autor tohoto článku v roce 1975na pracoviště tehdy teprve poměrně mladou, alebouřlivě se rozvíjející tematiku astrofyzikyvysokých energií neslunečních zdrojů. Po rozpaduprogramu INTERKOSMOS v roce 1989 a zánikuoddělení pokračovala jedna z následnických skupinv pracích právě v tomto oboru. Těžištěm práceskupiny se stala pozorování kosmických zdrojůvysokých energií v optickém oboru spektrav návaznosti na družicové projekty včetně vývojeněkterých nových experimentů. Toto zaměřenívyšlo zejména z tehdejších podmínek a možností finanční podmínky a neexistence smluv o spoluprácineumožňovaly přímou účast na západních kosmickýchexperimentech, ale také zkušeností. Takjsme měli možnost účasti na zahraničních družicových projektech bez potřeby velkých finančníchvydání, a přitom jsme dokázali najít oblast, kterákosmické experimenty vhodně doplňovala a podporovala. A jak ukázal až další vývoj vědního oboru, předvídali jsme již tehdy to, co bylo teprve pozdějiprokázáno, konkrétně možnost studiazábleskových zdrojů záření gama též ze zemskéhopovrchu, v optické oblasti spektra. Aktivně jsmese tak zapojili např. do prací a pozorováníamerické Compton Gamma Ray Observatoryi do některých dalších kosmických projektů. Jižtehdy šlo o širokou týmovou práci, intenzivnívýměnu dat a spolupráci s řadou zahraničníchtýmů. Získali jsme si přitom dobré jméno a řadukontaktů, a to vše vedlo k našemu přizvání k projektuINTEGRAL záhy po jeho zahájení a ještě předpodepsáním dohody s ESA. To byl první a nezbytnýpředpoklad naší účasti, a také tu bylo dobré načasování. Je třeba si totiž uvědomit, že rozsáhlékosmické projekty ESA většinou trvají okolopatnácti let - od zahájení studií a vývojových pracíaž po ukončení aktivní práce družice a archivacidat, avšak reálně vstoupit do nich lze jen na samémpočátku.

Na projektu INTEGRAL se v České republicepodílí řada kolegů z několika pracovišť (zejménaASÚ AV ČR v Ondřejově, FEL ČVUT v Praze a PřFMU v Brně)a v poslední době se stále více zapojují istudenti MFF UK v Praze. Koordinátorem prací tétoČeské skupiny projektu INTEGRAL je skupinaAstrofyziky vysokých energií Astronomickéhoústavu AV ČR v Ondřejově.

Gama astronomie

Družice INTEGRAL při předstartovní přípravě s rozvinutými panely slunečních baterií

Astronomie záření gama zkoumá nejenergetičtějšíprocesy ve vesmíru a zabývá se tak řešením řadynejzákladnějších problémů nejen v astrofyzice, alei ve fyzice obecně. Pracuje s velkým rozsahem kontinuálnícha čárových procesů záření gama, jakojsou nukleární excitace, radioaktivita, anihilace pozitronůa Comptonův rozptyl. Ještě větší rozmanitostmají objekty vysílající gama záření, ať už jdeo exploze nov a supernov, nukleosyntézu, mezihvězdnéprostředí, interakce a zdroje kosmickéhozáření, neutronové hvězdy, černé díry, zábleskyzáření gama, aktivní galaktická jádra a pozadí kosmickéhogama záření. Gama záření nám umožňujenahlédnout hlouběji do těchto objektů, než je možnév jiných oblastech spektra. Často dokonce září tytoobjekty nejvíce právě v gama oboru.

INTEGRAL - vědecké cíle

Vědecké cíle projektu úzce souvisejí s očekávanoupřesnou spektroskopií, zobrazováním a astrometriízdrojů gama emise. Spektroskopie s vysokýmrozlišením přes celý energetický rozsah družice totižumožní unikátní identifikaci spektrálních jevůa následné studie fyzikálních procesů odehrávajícíse v oblastech zdrojů. Zejména půjde o analýzyzaložené na interpretaci naměřených čárovýchprofilů. Zobrazení s vysokých rozlišením přesvelké zorné pole zase umožní poměrně přesnou astrometrii zdrojů záření a tedy jejich identifikacis objekty známými z jiných spektrálníchoborů. Usnadní také rozlišení bodových a plošných zdrojů.

V oblasti energií 15 keV až 10 MeV, tedy hlavnímoboru práce družice INTEGRAL, se stávají významnými procesy formování spektrálních čar, jako jsounukleární excitace, radioaktivita, anihilace pozitronů,cyklotronová emise a absorpce. Nasvědčujetomu řada dosavadních observačních výsledků i teoretických prací.

Unikátní informace je pro astrofyziky zakódovánazejména v čárovém posuvu, v šířce a profilu spektrálníčáry. Podrobné studie těchto jevů ovšemvyžadují vysoké rozlišení řádu E/???. E alespoň 500. To je v dosahu germaniového spektrometruINTEGRALu. V minulosti používané spektrometrys nižším rozlišením (například experimenty OSSEa COMPTEL na americké družici Compton GROnebo SIGMA na sovětském Granatu) tyto spektrálníparametry určovat neumožňovaly. Americká družiceHEAO pracující v letech 1979-1980 sice měla potřebné spektrální rozlišení, avšak při citlivosti 100násobně nižší než INTEGRAL.

Vědecké oblasti a cíle projektu INTEGRALzahrnují výzkum kompaktních objektů (bílýchtrpaslíků, neutronových hvězd, černých děr), hvězdnou nukleosyntézu (supernovy, novy, hydrostatiku), vysokoenergetické transienty, výzkum galaktickéstruktury včetně mapování kontinuální a čárovéemise, výzkum galaktického centra, studium částicovýchprocesů a akcelerací, výzkum transrelativistické párové plazmy, řadu oblastí extragalaktickéastrofyziky (blízké galaxie, aktivní galaktická jádraAGN, kupy galaxií, difuzní pozadí), výzkumzábleskových zdrojů záření gama, identifikacivysokoenergetických zdrojů a studium neidentifikovanýchzdrojů gama emise. Vyloučeny však nejsouani nečekané objevy.

Difuzní emise

Naše Galaxie obsahuje řadu zdrojů gama emise, jakkontinuální, tak i čárové. Tak například anihilačníčára 511 keV a čára 1.809 MeV radioaktivního Al26jsou všeobecně pokládány za stopy míst nukleosyntézy během uplynulého milionu let a diagnostikypodmínek v mezihvězdném prostředí. Kontinuálnígama emise v oblasti MeV může být zase vhodněpoužita pro studium nízkoenergetických elektronůkosmického záření.

INTEGRAL také zmapuje gama emisi přicházejícíz roviny naší Galaxie jak v oblasti kontinua, tak ve dvoudiskrétních spektrálních čarách vytvářených nukleosyntézou,tedy 1.809 MeV a 511 keV. Získané výsledkyrovněž umožní lokalizaci zdrojů čárové i kontinuálníemise s přesností až několika úhlových minut, cožvytvoří podmínky pro různorodé astrofyzikálnívýzkumy nalezených zdrojů včetně jejich identifikacís objekty známými z jiných spektrálních oborů.

Galaktické centrum

Střed naší Galaxie je znám jako místo značné aktivityv různých spektrálních oborech od záření gamaaž po infračervené a rádiové. Tato oblast obsahujecelou řadu velmi energetických gama zdrojů včetnězdrojů přechodných. Očekává se, že data z INTEGRALupřispějí k pochopení fyzikálních procesů odehrávajícíchse uvnitř pozorováním těžko přístupné oblastido poloměru 100 parsek od galaktického jádra.

Kompaktní zdroje

Studium kompaktních zdrojů, tedy především neutronovýchhvězd a černých děr, představuje jedenz hlavních úkolů projektu INTEGRAL. Je to dánopředevším tím, že prakticky veškeré typy těchtoobjektů vyzařují podstatná množství záření právěv oblasti vysokých energií. INTEGRAL bude tytoobjekty zobrazovat s vysokou přesností, a navíc jehospektroskopická data umožní jejich první podrobnoufyzikální diagnostiku v gama oboru.

Explozivní nukleosyntéza

Pozorování spektrálních gama čar vyvolaných nukleárnímipřechody při zániku rádiových jader a přianihilačních procesech v řadě různých explozivníchnukleosyntetických procesů (jako jsou napříkladvýbuchy nov a supernov, včetně historických) představuje nejpřímější metodu studia nukleosyntézyodehrávající se v astrofyzikálních objektech. Měřeníz INTEGRALu umožní určit i profily spektrálních čarsupernov. To poskytne informaci o rychlostirozpínání a rozdělení hustoty uvnitř expandujícíobálky. Relativní intenzity čar naproti tomu umožnípřímý náhled do fyzikálního prostředí v čase jejichvzniku.

Vysokoenergetické transienty

Přechodné zdroje, tzv. transienty, vykazují vesměsbezkonkurenční proměnnost jak v časové, tak i vespektrální oblasti. Družice INTEGRAL budepravidelně monitorovat oblast podél galaktickéhorovníku s cílem detekce transientů a jejich studia, např. určení světelných křivek a funkce svítivosti. Unikátní bude i výzkum zábleskových zdrojů zářenígama se širokým spektrálním pokrytím.

Aktivní galaxie

Od výzkumu aktivních galaxií pomocí jak širokopásmové,tak vysocerozlišující spektroskopie si slibujeme především lepší pochopení interakcí částicv oblasti, kde se energie centrálního zdroje setkávás galaktickou hmotou. Hodně přislibuje téžsimultánní monitorování v gama, rentgenovémi optickém oboru současně. Výhodné bude dobréúhlové rozlišení, a to i s ohledem na vysokou plošnouhustotu AGN a potřebu spolehlivého ztotožněnígama zdrojů s nízkoenergetickými protějšky.

V dalším pokračování se seznámíme s přístrojovým vybavením družice INTEGRAL.