INTEGRAL: Der energiereichsten Strahlung des Universums auf der Spur

Die ESA, die in der satellitengestützten Gamma-Astronomie mit ihrem Satelliten COS-B (1975) Pionierarbeit geleistet hat, will mit INTEGRAL ihre führende Position auf diesem jungen Gebiet festigen und weiter ausbauen. 14 ESA-Mitgliedsstaaten sowie Russland, die USA, Polen und Tschechien beteiligen sich an diesem einzigartigen Projekt.

Kosmische Urgewalten im Visier

INTEGRAL ist das empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium, das je gebaut wurde. Es soll den Himmel nach Gammaquellen durchmustern und einzelne astronomische Objekte gezielt beobachten. Gammastrahlung wird besonders dort freigesetzt, wo gewaltige Energien im Spiel sind. Deshalb leuchten kosmische Erscheinungen wie Sternenexplosionen, Neutronensterne und Schwarze Löcher im Gammabereich besonders hell. Bislang konnten die Astronomen nur sporadische Blicke auf diese Urgewalten erhaschen. Mit seinen vier High-Tech-Beobachtungsinstrumenten soll INTEGRAL nun umfassende neue Erkenntnisse über diese mächtigen Gammastrahlenquellen liefern, die von der Erde aus nicht zu beobachten sind.
Wenn massereiche Sterne ihren Lebenszyklus durchlaufen haben, kollabieren sie in einer unvorstellbaren Explosion. Eine Supernova entsteht. Supernovae leuchten heller als Milliarden Sonnen und geben ihre Energie größtenteils als Gammastrahlung ab. Aber auch neue chemische Elemente werden gebildet: Alle Atomkerne, die schwerer als Eisen sind, entstehen durch solche Sternenexplosionen. Supernovae sind daher gewissermaßen die chemischen Fabriken unseres Universums. Noch unbekannt ist, wie die neuen Elemente dabei entstehen. Dies zu klären, ist ein zentrales wissenschaftliches Ziel der INTEGRAL-Mission.

Jede Supernovaexplosion lässt einen ausgebrannten Sternenrest zurück, entweder einen Neutronenstern oder ein so genanntes stellares Schwarzes Loch. Wegen ihrer immensen Dichte erzeugen Neutronensterne und Schwarze Löcher ein starkes Schwerefeld, das kosmischen Staub, Gase und auch größere Himmelkörper einfängt. Wenn sich Materie durch ein Gravitationsfeld bewegt, wird sie aufgeheizt und gibt Energie ab. Bei Neutronensternen und Schwarzen Löchern ist die abgestrahlte Energie wegen der starken Anziehungskraft sehr hoch und wird als Röntgen- und Gammastrahlung freigesetzt.
Schwarze Löcher finden sich auch im Zentrum mancher Galaxien. Diese galaktischen Schwarzen Löcher von der Größe eines ganzen Sonnensystems strahlen im Gamma-Bereich so intensiv, dass sie über Milliarden von Lichtjahren hinweg geortet werden können.

All diese Himmelserscheinungen soll das INTEGRAL-Observatorium mit bislang unerreichter Genauigkeit erkunden. Im Visier stehen hierbei besonders die blitzartigen Ausbrüche von Gammastrahlung, die ungefähr einmal am Tag irgendwo im Universum aufflackern. Diese Gamma-Blitze dauern zumeist nur Sekundenbruchteile, manchmal aber auch mehrere Minuten und werden überall in den Tiefen des Weltraums beobachtet. Der Ursprung dieser energiereichsten Erscheinungen im Universum ist 35 Jahre nach ihrer Entdeckung noch immer ein Rätsel. Heute wird angenommen, dass die Gamma-Blitze mit dem Kollaps der ersten Sterne unseres Universums zusammenhängen. Sie könnten auch durch die Kollision von Neutronensternen oder durch Hypernovae entstehen, d.h. durch die Explosion superschwerer Sterne am Ende ihres Lebenszyklus. Durch detaillierte Beobachtung soll das INTEGRAL-Observatorium klären, was diese mysteriösen Gamma-Blitze verursacht.

Erkundung des Gamma-Universums

INTEGRAL verfügt über vier Instrumente, die eine umfassende Beobachtung des Gamma-Universums ermöglichen. Die zwei Hauptinstrumente IBIS und SPI sollen Bilder und spektroskopische Aufnahmen von Gammastrahlungsquellen liefern. Mit IBIS (Imager on Board the Integral Satellite) hat das Weltraum-Observatorium die hochauflösendste Gammastrahlen-Kamera an Bord, die je gebaut wurde. Und das hochempfindliche Gamma-Spektrometer SPI (Spectrometer on Integral) erlaubt es, die Strahlungsenergie sehr genau zu messen. SPI ist außerdem in der Lage, extrem schwache Gammastrahlung zu registrieren, die frühere Spektrometer nicht erfassen konnten. IBIS und SPI können so beispielsweise neue Gamma-Objekte im Universum entdecken.
Zeitgleich mit den beiden Gamma-Detektoren IBIS und SPI durchmustern zwei weitere, kleinere Bordinstrumente den Himmel und liefern komplementäre wissenschaftliche Daten. Der Röntgendetektor JEM-X (Joint European X-Ray Monitor) beobachtet die Gammaquellen im Röntgenlicht. Und die Kamera OMC (Optical Monitor Camera) liefert Aufnahmen der Erscheinungen im sichtbaren Bereich.
Mit IBIS und SPI im Gamma-Bereich, JEM-X im Röntgenbereich und OMC im Bereich des sichtbaren Lichts erfasst INTEGRAL die Himmelsereignisse in einem breiten elektromagnetischen Spektrum. Die Astronomen können so beispielsweise das „Nachglühen“ von Gamma-Blitzen im Röntgenlicht beobachten.

Weltweite INTEGRAL-Datenzentren

Der INTEGRAL-Satellit soll in einen elliptischen Orbit gebracht werden, der zum Erdäquator um 51,6 Grad geneigt ist. Das Observatorium wird die Erde in einer Höhe von 9000 bis 154000 Kilometern alle 72 Stunden einmal umrunden. Die exzentrische Umlaufbahn ist notwendig, weil die Erde von „Strahlungsgürteln“ umgeben ist. Diese können den Blick von INTEGRAL auf die kosmischen Gammaquellen stören. Deshalb wurde die extreme elliptische Umlaufbahn gewählt. Sie sichert, dass sich INTEGRAL zu 90% jenseits der Strahlungsgürtel bewegt.

Damit INTEGRAL die gesammelten wissenschaftlichen Daten zur Erde funken und Steuerbefehle empfangen kann, muss der Satellit ständig mit den Bodenstationen in Verbindung stehen. Für die Kommunikation mit und die Steuerung von INTEGRAL sind verschiedene Kontrollzentren zuständig. Astronomen, die das Weltraum-Observatorium nutzen möchten, müssen ihre Beobachtungsvorschläge beim wissenschaftlichen Planungszentrum für die INTEGRAL-Mission ISOC (INTEGRAL Science Operations Centre) im niederländischen Noordwijk einreichen. Experten des ISOC prüfen die Vorschläge, stellen eine Liste mit Beobachtungszielen zusammen und legen einen detaillierten Zeitplan fest. Diesen übermitteln sie an das Missions-Operationszentrum (MOC) beim Europäischen Satellitenkontrollzentrum ESOC in Darmstadt. Dort wird die Planung in Befehle zur Steuerung des Gamma-Observatoriums übersetzt. Die Kommunikation mit INTEGRAL läuft über zwei Bodenstationen, die ESA-Bodenstation im belgischen Redu und die amerikanische Station im kalifornischen Goldstone.

Die wissenschaftlichen Rohdaten von INTEGRAL gehen an das INTEGRAL-Wissenschaftsdatenzentrum ISDC (INTEGRAL Science Data Centre) im schweizerischen Versoix. Dort werden sie aufbereitet, formatiert und gespeichert, und stehen dann interessierten Astronomen in der ganzen Welt zur Verfügung. Ein weltumspannendes Netz von Weltraumforschungseinrichtungen und Observatorien kann so sehr zeitnah auf die Daten zugreifen. Entscheidend ist dies, wenn INTEGRAL unerwartete kurzzeitige Erscheinungen erfasst, wie beispielsweise Gamma-Blitze. Alle Observatorien müssen dann die Informationen binnen einer Minute erhalten, damit sie ihre Teleskope sofort auf das Himmelssegment ausrichten können, in dem der Gamma-Ausbruch registriert wurde.

Der Bau von INTEGRAL

Die ESA wählte die INTEGRAL-Mission im Juni 1993 aus. Hauptauftragnehmer für den Satelliten war das Unternehmen Alenia Aerospazio aus Turin (Italien). Für den Bau des Service-Moduls nahm Alenia 26 Subunternehmer aus 12 ESA-Mitgliedstaaten unter Vertrag. Das Service-Modul sichert die Stromversorgung des Raumfahrzeugs (durch Solarpaneele), die Satellitensteuerung und die Kommunikationsverbindung zur Erde. Alenia war auch für den Einbau der vier wissenschaftlichen Instrumente zuständig, die zusammen das rund zwei Tonnen schwere Nutzlast-Modul bilden. Gebaut wurden die Instrumente von vier Konsortien, an denen Hochschulen und Unternehmen aus verschiedenen Teilen Europas beteiligt waren.

Der Bau INTEGRALs war mit vielen technologischen Herausforderungen verbunden. Das größte Problem bestand in der Fokussierung der energiereichen Gammastrahlen, die gewöhnliche Spiegel mühelos durchdringen. Schließlich wählte man für die Beobachtungsinstrumente IBIS, SPI und JEM-X ein spezielles Verfahren, das so genannte Coded-Mask-Imaging. Dabei wird die Strahlung nicht gebündelt, sondern fällt durch eine kodierte Maske ein, d.h. durch eine Abdeckung, die ein spezielles Lochmuster aufweist. Da die Strahlung der einzelnen Gamma- und Röntgenquellen aus verschiedenen Winkeln auf die Coded Mask trifft, entsteht auf dem darunter liegenden Detektor ein charakteristisches Schattenmuster. Anhand dieses Schattenwurfs kann die Gammastrahlung eindeutig einzelnen Himmelserscheinungen zugeordnet werden.

Die Kosten für Entwicklung und Bau des INTEGRAL-Satelliten lagen bei 330 Mill. EUR. Nicht berücksichtigt sind hierbei die Kosten für den Start des Observatoriums. Russland stellt das gesamte Startpaket, inklusive Trägerrakete, gratis zur Verfügung und erhält dafür im Gegenzug Beobachtungszeit auf dem Teleskop. Nicht enthalten sind ferner die Kosten der wissenschaftlichen Instrumente, die verschiedene Teams unter Leitung von Wissenschaftlern aus Italien, Frankreich, Deutschland, Dänemark und Spanien bereitgestellt haben. Zwecks Kostensenkung hat man sich beim Bau des Service-Moduls an der Konzeption für den ESA-Röntgensatelliten XMM-Newton orientiert.

Kurzer Abriss zur Geschichte der Gamma-Astronomie

Schon seit Beginn der 60er Jahre des 20. Jahrhunderts haben Satelliten Gammastrahlungs-Detektoren an Bord. 1967 entdeckten Militärsatelliten zufällig die Gamma-Blitze. Sie stießen bei der Suche nach Verstößen gegen das Atomversuchsverbot auf starke Gammastrahlungsausbrüche nichtirdischen Ursprungs.
1972 lieferte der NASA-Satellit SAS-2 erste detaillierte Informationen über die Gammastrahlung im Universum. 1975 brachte dann die ESA das Gammastrahlen-Observatorium COS-B ins All. COS-B erstellte die erste Himmelkarte der Milchstraße im Gamma-Licht und leistete bis zu seiner Abschaltung 1982 in der Gamma-Astronomie Pionierarbeit. Es folgten die russisch-französische GRANAT-Mission (1989 bis 1998) und das Compton Gamma Ray Observatory (CGRO), ein Gamma-Observatorium der NASA (1991-2000). Mit Messgeräten einer neuen Generation entdeckte der CGRO-Satellit Hunderte neuer Gammastrahlungsquellen und beobachtete etwa 2500 Gammablitze. Und bald wird INTEGRAL mit seinen High-Tech-Instrumenten neue Maßstäbe für die satellitengestützte Gamma-Astronomie setzen.

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Kai Clausen, Integral-Projektleiter der ESA
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Christophe Winkler, Integral-Projektwissenschaftler der ESA
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E-Mail: Christophe.Winkler@esa.int

Dr. Arvind Parmar, amtierender Integral-Projektwissenschaftler der ESA
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