International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory

INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory c'est-à-dire Laboratoire international d'astrophysique gamma) était un observatoire spatial de l'Agence spatiale européenne qui étudiait le rayonnement gamma de moyenne énergie émis par des sources telles que les trous noirs, étoiles à neutrons, supernovas, le milieu interstellaire, etc. Ce satellite de 4 tonnes utilisait la combinaison de deux instruments pour ses observations réalisées dans un large spectre allant de 15 keV à 10 MeV avec un champ de vue étendu (100 degrés²)  : IBIS qui se caractérisait par sa résolution angulaire (12 minutes d'arc FWHM) et était utilisé pour déterminer avec précision la source du rayonnement gamma et SPI qui disposait par contre d'une meilleure résolution spectrale (3 keV à 1,8 MeV). Ces instruments étaient complétés par des télescopes assurant une fonction de suivi dans le rayonnement X (JEM-X : 3–35 keV) en lumière visible (OMC).

INTEGRAL
Observatoire spatial

Vue d'artiste d'INTEGRAL.

Données générales

Organisation	Agence spatiale européenne, NASA, RKA
Constructeur	Alenia Spazio , etc.
Programme	Horizon 2000
Domaine	Astronomie gamma et X
Statut	Mission achevée
Autres noms	INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory
Lancement	17 octobre 2002
Lanceur	Proton K
Fin de mission	28 février 2025
Durée	5 ans (mission primaire)
Désorbitage	début 2029 (prévision)
Identifiant COSPAR	2002-048A
Site	ESA

Caractéristiques techniques

Masse au lancement	4 000 kg
Masse instruments	2 013 kg
Dimensions	2,8 x 3,2 x 5 mètres
Ergols	Hydrazine
Masse ergols	540 kg
Contrôle d'attitude	Stabilisé sur 3 axes
Source d'énergie	Panneaux solaires
Puissance électrique	2 377 Watts

Orbite

Orbite	Orbite haute elliptique
Périapside	1 911 km
Apoapside	156 000 km
Période de révolution	66 h
Inclinaison	51,7°

Télescope

Type	Télescope à masque codé
Diamètre	3,70 m
Superficie	500 cm² (SPI et JEM-X), 3 100 cm² (IBIS)
Focale	~ 4 m
Longueur d'onde	Rayons gamma et rayons X (15 keV-10 MeV)

Principaux instruments

SPI	Spectromètre
IBIS	Imageur
JEM-X	Moniteur de rayons X
OMC	Moniteur optique

INTEGRAL, sélectionnée par l'Agence spatiale européenne en juin 1993, est la deuxième mission de taille moyenne (M2) de son programme scientifique Horizon 2000. Elle est développée par un consortium industriel dirigé par la société italien Alenia Spazio. Les instruments sont fournis par les centres de recherche de plusieurs pays européens ( la France, l'Italie, l'Allemagne, le Danemark, l'Espagne et la Suisse). La Russie fournit le lanceur Proton tandis que la contribution de la NASA concerne principalement le segment sol. L'observatoire spatial est placé le 17 octobre 2002 sur une orbite elliptique haute de 47 heures qui lui permet d'effectuer des observations continues sur de longues durées tout en évitant les perturbations générées par les ceintures de radiation. La mission INTEGRAL est prolongée à plusieurs reprises. Elle s'achève le 28 février 2025 après avoir collecté des données durant 22 ans.

A la date de son lancement INTEGRAL était le premier télescope capable d'observer des objets simultanément dans les spectres gamma, X et visible. Il a obtenu de nombreux résultats scientifiques notables. Parmi les observations remarquables figurent la contribution à la découverte des processus à l'origine des sursauts gamma, la confirmation observationnelle de la nucléosynthèse du fer par les supernovae, la découverte du trou noir supermassif V404 Cygni, l'observation de l'explosion d'une supernova et la découverte des émissions polarisées d'un rémanent de supernova (Nébuleuse du Crabe) qui a fourni de nouveaux indices sur les processus d'accélération dans les sources cosmiques. L'observatoire a mis en évidence les processus à l'origine du fond diffus de rayons gamma émis par notre galaxie. En 2017 l'observatoire a joué avec Fermi un rôle pivot dans la découverte de la source gamma à l'origine des ondes gravitationnelles observées par l'interféromètre LIGO. Les données recueillies par l'instrument IBIS ont été utilisées pour publier un catalogue régulièrement mis à jour qui comprenait, fin 2010, 939 sources de rayons gamma doux (17-100 keV) dont 117 découvertes par INTEGRAL.

Historique du projet

En juin 1993, l'Agence spatiale européenne sélectionne INTEGRAL comme la deuxième mission de taille moyenne (M2) de son programme scientifique Horizon 2000. Ce dernier regroupe 17 missions dont le lancement s'est échelonné de 1989 à 2018. Cette mission, qui doit poursuivre les observations des télescopes spatiaux américain Compton Gamma-Ray Observatory et russe Gamma, utilise une instrumentation de 10 à 50 fois plus sensible que ses prédécesseurs. Les deux instruments principaux, SPI et IBIS, mettent en œuvre la technique du masque codé testée pour la première fois dans l'espace en 1989 par le télescope français SIGMA (Système d'imagerie gamma à masque aléatoire) embarqué sur l'observatoire spatial russe Granat.

La mission INTEGRAL est développée par plusieurs pays membres de l'Agence spatiale européenne avec en outre la participation des États-Unis, de la Russie, de la République tchèque et de la Pologne. La construction de l'observatoire spatial est confiée à un consortium industriel dirigé par Alenia Spazio (Italie) qui a en charge la conception, l'intégration et les tests du satellite. Les composants de la plateforme sont fournis principalement par l'Italie (RCS, viseurs d'étoiles, traitement des données), l'Allemagne (propulsion, cellules photovoltaïques), l'Espagne (structure, câblage, revêtements thermiques), le Royaume-Uni (réservoirs, système de contrôle d'attitude) et la France (Batteries SAFT, roues de réaction SAGEM). Les quatre instruments sont développés par des équipes scientifiques d'Italie, de France, d'Allemagne, du Danemark et d'Espagne. La Russie fournit le lanceur Proton. Les communications sont prises en charge par des stations terriennes appartenant à l'ESA et à la NASA. Le centre scientifique de la mission ISOC (INTEGRAL Science Operations Center) est installé à Noordwijk (Pays-Bas) tandis que le centre de stockage des données ISDC (INTEGRAL Science Data Center) est hébergé par la Suisse.

À la suite de l'annulation en 2002 par la Russie du programme Spectrum X-Gamma, dans lequel les laboratoires européens avaient investi près de 300 millions de dollars américains pour la réalisation de trois instruments qui devaient y être installés, le gouvernement russe accepte (en échange d'un temps d'observation de 25%) de prendre en charge gratuitement la mise en orbite d'INTEGRAL qui doit être effectuée par la fusée Proton.

Le coût de la mission INTEGRAL s'élevait à l'époque de son développement à environ 330 millions euros (équivalent à 482 millions € en 2025). Ce montant comprend le cout de 2 années d'opérations mais n'inclut pas le cout du lancement (pris en charge par la Russie) et celui des instruments scientifiques qui ont été développés et financés par les différents laboratoires nationaux. Cette somme reste néanmoins modeste pour un satellite scientifique de cette taille. Des économies ont pu être obtenues par l'utilisation d'une plateforme identique à celle de l'observatoire des rayons X XMM-Newton de l'ESA lancé en 1999. Le cout des opérations postérieures à la période initiale de 2 ans n'est pas connu mais il se situe habituellement entre quelques millions et une dizaine de millions € pour un satellite scientifique de cette taille.

Objectifs

Les rayons gamma et les rayons X ne peuvent pas pénétrer dans l'atmosphère terrestre. Les observations directes de tels rayons ne peuvent donc se faire que depuis l'espace. Le rayonnement gamma est difficile à observer car l'énergie des photons est telle qu'on ne peut les faire converger vers le détecteur. Mais son observation permet de détecter des processus fondamentaux. Le rayonnement gamma est émis au sein des phénomènes les plus violents de l'Univers tels que les explosions d'étoiles (nova, supernova) et leurs résidus compacts : les étoiles à neutrons et les trous noirs. Il est également produit lors de la désexcitation des noyaux d'atomes ce qui permet en l'observant de pratiquer une spectroscopie nucléaire des sites cosmiques. Enfin l'interaction matière antimatière produit également ce type de rayonnement.

Les objectifs d'INTEGRAL étaient les suivants :

• fournir des données permettant d'enrichir la théorie de la nucléosynthèse en détectant les noyaux atomiques générés durant la fin de vie des étoiles.
• détecter les restes des anciennes supernovae en identifiant les noyaux d'atomes radioactifs synthétisés de manière typique par celles-ci.
• identifier les phénomènes de nucléosynthèse froide, c'est-à-dire les scissions d'atomes ayant pour origine la collision d'atomes ou de protons accélérés avec des atomes du milieu interstellaire. Lors de la collision, les atomes du milieu interstellaire (carbone, oxygène, azote) sont brisés (processus de spallation) et donnent naissance à des atomes plus légers : lithium, béryllium et bore. INTEGRAL doit étudier plus particulièrement ces atomes à travers les rayons gamma émis par ceux-ci lorsqu'ils retournent de l'état excité à l'état fondamental.
• observation des novas et supernovas thermonucléaires.
• observation des supernovas gravitationnelles, c'est-à-dire résultant de la désintégration d'une étoile d'une masse supérieure à 8-10 masses solaires.
• observation des objets compacts telles que les naines blanche, les étoiles à neutrons, les trous noirs.
• observation des galaxies, amas stellaires, galaxies actives, blazars, et du fond diffus cosmologique.
• observation des processus et phénomènes d'accélération au centre de notre galaxie.
• identification des sources de rayons gamma dont l'origine est aujourd'hui inconnue.

Architecture de la mission

La charge utile d'INTEGRAL est constitué de deux instruments principaux de grande taille : l'imageur IBIS qui doit permettre d'établir une carte détaillée des sources de rayons gamma grâce à sa haute résolution angulaire (localisation des sources avec une précision de quelques minutes d'arc pour les sources allant de 20 keV à 8 MeV) et le spectromètre SPI qui mesure leur énergie avec une résolution spectrale particulièment élevée (2 keV sur une majeure partie du spectre allant de 20 keV à 8 MeV) . Ils sont complétés par deux instruments qui recherchent les sources corrélées dans les domaines des rayons X (deux instruments JEM-X) et du visible (caméra optique OMC). Trois instruments (IBIS, SPI et JEM-X) sont des télescopes à masque codé. Tous les instruments sont coalignés et observent la même région du ciel dans les longueurs d'ondes comprises entre le spectre visible (500 nanomètres) et le rayonnement gamma (MeV). A la date de son lancement INTEGRAL était le premier observatoire à pouvoir effectuer des observations d'un objet céleste simultanément dans les spectres gamma, X et visible.

INTEGRAL circule sur une orbite elliptique haute de 9 000 x 154 000 km (inclinaison orbitale de 51,6°) qui a été choisie de manière à ce que l'observatoire reste la plus grande partie du temps à l'extérieur des ceintures de radiations dont le rayonnement peut perturber les observations. Durant 84% du temps, lorsque son altitude est supérieure à 60 000 km, INTEGRAL est complètement dégagé des ceintures de radiations ce qui permet des observations de longue durée nécessaires à l'atteinte des objectifs. L'orbite est par ailleurs géosynchrone (l'hémisphère de la Terre survolée est toujours la même). En cinq ans, sous l'influence du Soleil, de la Lune et de la Terre, il est prévu que le périgée passe 9 000 km à 12 500 km et que l'inclinaison orbitale passe de 51,6° à 87°. Cette évolution est favorable aux observations car elle éloigne l'observatoire des ceintures de radiation tout en améliorant la couverture par les stations terriennes avec lesquelles INTEGRAL échange des données. Pour produire suffisament d'énergie électrique, les panneaux solaires, qui sont fixes, doivent être dirigés de manière à ce que l'angle d'incidence des rayons soit supérieur à 50° ce qui impose que les instruments visent des portions du ciel faisant un angle de plus de 50° par rapport à la direction du Soleil et la direction opposée à celui-ci.

Le satellite, dont la durée de vie est limitée principalement par les ergols nécessaires à sa stabilisation sur 3 axes (désaturation des roues de réaction) et de manière secondaire par le degré de dégradation des panneaux solaires, emporte des consommables qui doivent lui permettre de fonctionner au minimum 5 ans.

Performances d'INTEGRAL comparées à celles des instruments des observatoires gamma qui l'ont précédé

Caractéristique	OSSE	COMPTEL	EGRET	BATSE	SIGMA (CNES)	HEAO-3	INTEGRAL
Observatoire	CGRO(NASA)				Granat (URSS)	HEAO-3 (NASA)
Spectre observé (MeV)	0,05–10	0,7–30	20–30 000	0,03–1,9	0,035–1,3	0,05–10	0,004–10 (MeV) (JEM-X, SPI, IBIS)
Résolution spectrale	5 à 12 %	4 à 15 %	∼20 %	20–32 %	8 à 16  %	0,2  % @ 1,8 MeV	0,16  % @ 1,8 MeV (SPI)
Localisation de la source	10′	0,5 – 1°	≤ 10′	1◦	∼1′	aucune	≤ 1′–1,5′ (IBIS)
Champ de vue	3,8° × 11,4°	1 stéradian	0,6 stéradian	Earth occultation	4,7° × 4,3° complètement encodé	30° × 30°	16° complètement encodé (SPI)
Sensibilité continue (photons cm-2 s-1 keV-1)	2 × 10-6 @ 1 MeV 5 × 10-7 @ 100 keV	1,7 × 10-7 @ 1 MeV	5 × 10-8 @ 100 MeV	2 × 10-3 @ 25-35 keV	7 × 10-6 @ 100 keV	1 × 10-5 @ 100 keV	5 × 10-7 @ 1 MeV (IBIS)
Période des observations	1991–2000	1991–2000	1991–2000	1991–2000	1989–1998	1979–1981	2002-2025

Caractéristiques techniques du satellite

INTEGRAL est un observatoire spatial stabilisé sur 3 axes (précision de pointage absolu de 5 minutes d'arc) de grande taille (c'est à l'époque le plus grand engin spatial jamais lancé par l'Agence spatiale européenne) constitué d'un corps parallélépipédique de 2,8 x 3,2 x 5 mètres avec des panneaux solaires portant son envergure à 16 mètres. Sa masse au lancement est de 3 954 kg (masse à vide 3 414 kg). Sa charge utile (les instruments scientifiques) représente plus de la moitié de la masse (2013 kg). Pour limiter les coûts le satellite utilise une plate-forme identique à celle du télescope européen à rayons X, XMM-Newton lancé le 10 décembre 1999. Le système de contrôle d'attitude utilise quatre roues de réaction, deux viseurs d'étoiles, quatre centrales à inertie, trois senseurs fins de Soleil, quatre senseurs de Soleil utilisés pour l'initialisation. Le satellite dispose de quatre jeux de deux propulseurs redondant de vingt newtons de poussée consommant de l'hydrazine pour désaturer les roues de réaction et effectuer les corrections d'orbite. Quatre réservoirs interconnectés réalisés en titane de 177 litres contiennent 540 kg d'hydrazine. L'énergie est fournie par deux ailes fixes comportant chacune trois panneaux solaires de 1,81 × 1,94 m soit 21 m² de cellules solaires qui sont conçues pour fournir 2 377 Watts au lancement et 1 600 watts après dix ans de service. Durant les éclipses, l'énergie est distribuée à partir de deux batteries nickel-cadmium de 24 A-h pesant 41 kg. Les échanges avec la Terre se fond en bande S via deux antennes fixes avec un débit de 108 kilobits/secondes (données scientifiques), 113 kilobits/s (télémesures) et 2 kb/s pour les commandes (liaison montante).

Instruments scientifiques

Schéma de l'observatoire avec ses différents systèmes et instruments scientifiques.

INTEGRAL dispose de quatre instruments scientifiques : deux instruments principaux, l'imageur IBIS et le spectromètre SPI et deux instruments de surveillance, le moniteur de rayons X (JEM-X) de basse énergie et la caméra de surveillance optique OMC. Tous sont alignés sur un même axe pour qu'ils observent simultanément la même portion de ciel. Les 3 instruments de haute énergie utilisent la technique du masque codé, puisqu'il n'existe pas de miroirs qui permettent de faire converger des rayons X et des rayons gamma. Les masques codés utilisés sont développés principalement par l'université de Valence, en Espagne.

L'imageur IBIS

L'imageur IBIS (Imager on Board the INTEGRAL Satellite), héritier de l'instrument français SIGMA (observatoire soviétique Granat), est l'imageur d'INTEGRAL. Il observe le rayonnement dont l'énergie est comprise entre 15 keV et 10 MeV avec un champ de vue de 20° x 20° (20 fois plus étendu que son prédécesseur). Sa résolution angulaire (capacité à séparer deux sources) est de 12 minutes d'arc, et par déconvolution il peut localiser les sources les plus brillantes avec une précision de quelques secondes d'arc. Sa résolution temporelle est de 120 microsecondes. L'instrument utilise un masque codé d'une superficie de presque 1 m² constitué de 95 par 95 tuiles rectangulaires en tungstène. Cet ensemble est situé à 3,1 mètres au-dessus des détecteurs. Pour couvrir le spectre très large observé IBIS dispose de deux types de détecteur. ISGRI (INTEGRAL Soft Gamma-Ray Imager), situé au premier plan, est constitué de 128 par 128 tuiles de tellurure de cadmium sensible jusqu'à environ 500 keV. PICsIT (Pixellated Cesium-Iodid Telescope), placé au second plan est constitué de 64 par 64 tuiles de iodure de césium sensibles jusqu'à 10 MeV. IBIS est entouré d'écrans de protection en tungstène et en plomb. L'instrument est développé par l'Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica de Rome (IASF). Le détecteur ISGRI est fourni par le Service d'astrophysique du CEA (CEN/SAp) et PICsIT est réalisé par l'institut TESRE de Bologne (Italie).

Le spectromètre SPI

Schéma montrant le principe de fonctionnement d'un télescope à masque codé avec deux sources de rayons gamma. Cette architecture est mise en oeuvre par les instruments SPI, IBIS et JEM-X.

SPI (Spectromètre Pour INTEGRAL) est le spectromètre d'INTEGRAL. Il fournit le spectre électromagnétique du rayonnement compris entre 20 keV et 8 MeV. SPI utilise un masque codé de 72 centimètres de diamètre de type de type HURA (Hexagona Uniformly Redondant Array). Celui-ci est constitué de 63 tuiles hexagonales de tungstène (6 cm d'une face à l'autre, 3 cm d'épaisseur) opaques aux radiations à hauteur de 90% et de 64 cellules hexagonales transparentes. Sa masse est de 140 kg. Pour bloquer le bruit de fond gamma (en particulier la raie à 511 keV) un scintillateur plastique (PSAC) de 5 mm d'épaisseur et de 80 cm de diamètre a été placé immédiatement sous le masque. Le détecteur, d'une superficie de 500 cm², est constitué de 19 cristaux de germanium de forme hexagonale d'un diamètre de 6 cm et d'une hauteur de 7 cm. Pour pouvoir jouer leur rôle ces cristaux doivent être maintenus à une température comprise entre 85 et 90 kelvin. Pour y parvenir ils sont refroidis activement par une successions de quatre machines frigorifiques Stirling qui viennent assister une isolation thermique poussée couplée à des radiateurs. Des boucliers anti-coincidences entourant les côtés et le fond de l'instrument permettent d'identifier les rayons qui ne sont pas en provenance de l'ouverture et d'éliminer par retraitement les données brutes fournies par les détecteurs. L'instrument effectue ses mesures avec une résolution spectrale de 2 keV (pour un rayonnement de 1,33 MeV). Le champ de vue est de 8° et le pouvoir de résolution est de 2°. SPI a été développé sous la responsabilité de l'agence spatiale française, le CNES, par plusieurs laboratoires français et étrangers.

Télescope à rayons X JEM-X

INTEGRAL possède de plus deux instruments JEM-X (Joint European X-ray Monitor) identiques pour observer les rayons X dits « mous », dont l'énergie est comprise entre 3 et 35 keV. Chaque JEM-X comprend un masque codé de 53,5 centimètres en tungstène. Le détecteur deux fois plus petit (25 cm de diamètre) pour éliminer le bruit, est situé à 3,4 mètres de distance du marque. Sa résolution spatiale atteint 3,35 minutes d'arc. La résolution spectrale est de 2 2 keV pour un rayonnement de 22 keV. La résolution temporelle est de 122 microsecondes. Le détecteur est un chambre à gaz à microbandes remplie avec du xénon et du méthane.

Caméra optique OMC

La caméra optique OMC (Optical Monitor Camera) a été conçue pour observer la contrepartie dans le spectre visible des objets qui constituent la cible des télescopes gamma. Elle permet d'obtenir des informations essentielles sur la nature et les caractéristiques physiques des sources de rayonnement gamma en mesurant la durée, l'intensité lumineuse et la position de la contrepartie optique. L'OMC est un télescope de 50 mm d'ouverture avec un champ de vue de 5 x 5°. Le détecteur de type CCD de 1024 x 2048 pixels à «transfert de trame » produit des images de 1024 × 1024 pixels. Un filtre Johnson V (centré sur 550 nm) permet de faciliter les rapprochements avec des images effectuées par d'autres instruments. Les observations typiques reposent sur des temps d'intégration de 10, 50 ou 100 secondes. Ces durées permettent d'obtenir des images d'objets dont la magnitude apparente descend jusqu'à 16. OMC permet de détecter des objets dont la luminosité varie avec une fréquence de l'ordre de la minute, du mois ou de l'année. Pour les objets brillants le temps d'exposition peut être réduit à 3 secondes. Compte tenu du débit limité du système de télécommunications, les images obtenues ne sont pas transmises entièrement : seule une centaine de portions de l'image (taille 11x11) pixels entourant les objets prédéfinis sont transmis au sol. Début 2021 l'instrument a permis d'établir un catalogue comprenant début 5 263 sources variables avec une périodicité précise pour 1 337 de ces objets.

Moniteur de radiation IREM

Le dernier instrument est le moniteur de radiation IREM (INTEGRAL Radiation Environment Monitor), qui est chargé de surveiller le niveau de fond orbital, et sert aussi pour l'étalonnage des données. IREM est sensible aux électrons et aux protons présents dans la ceinture de radiation terrestre, ainsi qu'au rayonnement cosmique. Si le niveau de fond est trop élevé, IREM peut déclencher l'extinction des autres instruments, afin de les protéger. IREM fait partie d'une série de dix instruments identiques dont sept avaient été utilisés avec succès à bord de différents engins spatiaux. Il est constitué de deux ensembles de détecteurs ayant un champ de vue global de ±20◦. Chaque ensemble comprend trois détecteurs distincts capables de distinguer les protons et les électrons ayant une quinzaine de niveaux d'énergie. Les données collectées sont mises à disposition scientifique et sont utilisées pour étudier le cycle solaire et l'impact des éruptions solaires. .

Utilisation du système anti-coincidences d'IBIS et SPI pour la détection des sursauts gamma

Contrairement à d'autres observatoires gamma, INTEGRAL ne dispose pas d'un instrument dédié à la détection des sursauts gamma. Aussi la fréquence annuelle de détection de ces événements par IBIS est en moyenne de seulement 7,5 événements par an (nettement inférieure à l'instrument BATSE de CGRO) mais la précision de la localisation de la source est par contre bien meilleure. Le système d'alerte (IBAS INTEGRAL Burst Alert System) développé pour identifier, caractériser et distribuer ces détections dans un délai 10 secondes après l'événement, est le premier à avoir transmis en temps réel vers les autres observatoires les positions des sursauts gamma avec une précision de l'ordre de la minute d'arc. A la date de février, l'instrument IBIS avait détecté 136 sursauts gamma avec une précision de 1 à 2 minutes d'arc pour 75% d'entre eux.

Les boucliers anti-coincidences, qui entourent les côtés et le fond des instruments IBIS et SPI pour éliminer les données produites par le rayonnement qui ne provient pas de leur ouverture, sont également utilisés pour détecter ces événements. Ils permettent de détecter environ 200 sursauts gamma par an avec une résolution temporelle de 50 millisecondes mais sans information spectrale et de position. Ces données sont exploitées dans le cadre du réseau d'observatoires spatiaux IPN pour localiser par triangulation la région du ciel d'où provient le signal. Le système anti-coincidences ACS (AntiCoincidence Shield) de SPI, fourni par Astrium, est un scintillateur constitué de 91 cristaux de germanate de bismuth (512 kg en tout) qui sont chacun associés à deux photomultiplicateurs. Avec une superficie effective de 0,7 m² pour les rayonnements ayant une énergie supérieure à 75 keV et avec une résolution temporelle de 50 ms, l'ACS constitue un détecteur quasiment omnidirectionnel des événements transitoires comme les sursauts gamma. Le système anti-coincidences d'IBIS, qui est constitué de 32 cristaux de germanate de bismuth, peut être également utilisé comme un détecteur omnidirectionnel. Moins performant que ACS, il complète celui-ci pour le rayonnement en provenance de la direction opposée à l'ouverture des instruments . Des algorithmes ont été développés au cours de la vie opérationnelle pour permettre d'utiliser IBIS comme un polarimètre Compton.

Caractéristiques des instruments

Caractéristique	SPI	IBIS	JEM-X (x2)	OMC
Longueurs d'ondes	18 keV–8 MeV	15 keV–10 MeV	4 keV–35 keV	500 nm–600 nm
Détecteur	16 détecteurs au germanium	16 384 détecteurs CdTe 4 096 détecteurs CsI	Microstrip Xe/CH4	CCD + filtre V
Superficie détecteurs	500 cm²	2 600 cm² (CdTe) 2 890 cm² (CsI)	500 cm²	2061 × 1056 pixels
Résolution spectrale (FWHM)	3 keV @ 1,7 MeV	8 keV @ 100 keV	2 keV @ 22 keV
Sensibilité continue (photons cm-2 s-1 keV-1)	5,5 × 10-6 @ 100 keV 1,2 × 10-6 @ 1 MeV	6 × 10-7 @ 100 keV 5 × 10-7 @ 1 MeV	1,2 × 10-5 @ 6 keV 1,3 × 10-5 @ 30 keV
Champ de vue	16°	9 x 9°	4,8°	5 x 5°
Résolution angulaire (FWHM)	2,5◦ (source ponctuelle)	12 minutes d'arc	3 minutes d'arc	25 secondes d'arc
Localisation de la source (rayon)	≤1.3◦ (selon l'intensité de la source)	≤1 minute d'arc	≤ 30 secondes d'arc	6 secondes d'arc
Précision datation absolue	≤200 μs	≤200 μs	≤200 μs	≥1 s
Masse	1309 kg	746 kg	65 kg	17 kg
Consommation (maximum/moyenne)	385/110 W	240/208 W	50/37 W	20/17 W

Déroulement de la mission

Visualisation des orbites de 2002 à 2017

Mise en orbite

INTEGRAL décolle le 17 octobre 2002 à bord d'un lanceur russe Proton depuis le cosmodrome de Baïkonour, au Kazakhstan. L'observatoire est placé sur une orbite haute très elliptique en trois étapes : le troisième étage du lanceur place le satellite sur une orbite basse (orbite de parking) puis est rallumé pour élever l'apogée avant d'être largué. Enfin le système propulsif de l'observatoire est utilisé pour placer Integral sur son orbite opérationnelle. Grâce à la précision du lancement cette dernière manoeuvre consomme 360 kg d'ergols soit 24 kg de moins que prévu. Celle-ci est initialement de 157 657 x 9 050 km avec une inclinaison orbitale de 52,2°. INTEGRAL la parcourt en 3 jours sidéraux avec une durée d'éclipse (lorsque le Soleil est masqué par la Terre) de 1,2 heures maximum. Le satellite est contrôlé depuis le Centre européen des opérations spatiales (ESOC), à Darmstadt, en Allemagne, grâce à deux stations terriennes situées à Redu en Belgique et à Goldstone en Californie (États-Unis) ce qui permet une couverture permanente lorsque le satellite se trouve à plus de 40 000 km de la Terre.

Prolongements de la mission

La mission bénéficie d'une consommation d'ergols plus faible que prévu lors du positionnement initial sur l'orbite scientifique et lors des opérations périodiques de désaturation des roues de réaction. Un an après le lancement, les prévisions de consommation tablent sur une durée de fonctionnement d'au minimum 15 ans. La mission, qui devait durer initialement 2 ans avec une option pour 3 ans supplémentaire, peut être ainsi prolongée à plusieurs reprises :

• en 2010 elle est prolongée jusqu'en 2014 en même temps qu'une dizaine d'autres satellites scientifiques de l'Agence spatiale européenne .
• Le 19 novembre 2014, la mission est de nouveau prolongée avec 5 autres missions scientifiques de 2 ans jusqu'au 31 décembre 2016.
• Elle est à nouveau prolongée par l'Agence spatiale européenne, pilote du projet, jusqu'à la fin 2020.
• Une seconde prolongation de la mission est ensuite actée jusqu'au 31 décembre 2022.

Pour permettre le maintien en service d'INTEGRAL pendant plus de 22 ans malgré l'arrivée de nouvelles missions coûteuses qui viennent gonfler le nombre de missions opérationnelles, l'ESA a réduit progressivement les coûts d'utilisation de l'observatoire :

• Au Centre européen des opérations spatiales (ESOC) à Darmstadt, l'ESA regroupe la gestion d'INTEGRAL avec celle d'autres satellites. A compter de 2013, les observatoires spatiaux INTEGRAL, XMM-Newton et EUCLID sont gérées en parallèle par une seule et même équipe, parfois par un seul contrôleur de vol mutualisé.
• Les processus de traitement des données au sol sont fortement automatisés, permettant de réduire au strict minimum les effectifs d'ingénieurs dédiés exclusivement à INTEGRAL.

Manœuvre destinée à respecter les règles sur les débris spatiaux (2015)

Début 2015, pour se conformer aux règles concernant les débris spatiaux que l'Agence spatiale européenne s'est engagée à respecter (un satellite ne doit pas rester après sa fin de vie opérationnelle plus de 25 ans sur une orbite protégée), l'orbite d'Integral est modifiée pour la première fois afin de s'assurer que le satellite rentrera dans l'atmosphère d'ici 2029. Pour ce faire la propulsion est utilisée à quatre reprises entre janvier et février consommant 96 kilogrammes d'hydrazine. Sans ces manoeuvres, la rentrée atmosphérique d'INTEGRAL aurait lieu dans environ 200 ans. L'orbite est immédiatement profondément modifiée : la période orbitale passe de 72 à 64 heures (3 révolutions en 8 jours) et le périgée est abaissé à 9550 km à l'automne 2015.

Perte de la propulsion (été 2020)

Au cours de l'été 2020, alors que l'équipe de contrôle au sol travaille depuis le domicile pour respecter les consignes liées à l'épidémie en cours de COVID, INTEGRAL se met en mode survie. Il s'avère que le système de propulsion dont l'une des fonctions est de désaturer les roues de réaction ne fonctionne plus. Hors ce rôle est indispensable car au fil des observations, les couples de forces qui s'exerce sur le satellite (en particulier la pression de radiation exercée par les photons solaires) ne sont pas symétriques et, de ce fait, le moment angulaire accumulé par les roues de réaction doit être au bout d'un certain temps annulé par la propulsion. L'équipe au sol met au point une procédure originale utilisant deux roues de réaction tournant en sens contraire pour annuler le mouvement angulaire de la troisième roue de réaction. Cette manœuvre, baptisée z-flip, après avoir été testée, est mise en œuvre et permet de redémarrer les observations courant septembre.

Perte temporaire de la troisième roue de réaction (septembre 2021)

Le 22 septembre 2021 l'engin spatial se met en mode survie. Une des trois roues de réaction est tombée en panne et INTEGRAL commence à se mettre en rotation. Les panneaux solaires ne sont plus tournés vers le Soleil et les batteries se déchargent rapidement. Cet événement a été provoqué par une particule chargée qui a frappé l'électronique. Elle provient sans doute de la ceinture de radiations car l'activité solaire est faible et, par contre, Integral, du fait des manœuvres effectuées en 2015, traverse désormais périodiquement cette zone caractéristisées par l'abondance de particules chargées et énergétiques. L'équipe au sol parvient à remettre en marche la roue de réaction fautive mais il faudra 5 jours de travail pour que le satellite soit de nouveau complètement sous contrôle.

Fin de mission (février 2025)

Jusqu'à la fin les instruments d'INTEGRAL restent complètement opérationnels et l'observatoire continue à produire des résultats scientifiques pertinents. Ce sont les contraintes financières qui ont déterminé la date de fin de la mission qui aurait pu être prolongée jusqu'à sa rentrée atmosphérique en 2029 (inéluctable compte tenu du changement d'orbite opéré en 2015). En 2023, l'ESA indique que le financement de la mission est en péril du fait du budget limité de son programme scientifique. Une dernière rallonge budgétaire est néanmoins accordée jusqu'au 31 décembre 2024, principalement pour permettre à INTEGRAL de travailler en synergie avec les observatoires d'ondes gravitationnelles (LIGO/Virgo).

Il est mis fin officiellement à la mission le 28 février 2025 au bout de 22 ans de service. Grace à la modification de l'orbite effectuée en 2015, le satellite devrait rentrer dans l'atmosphère quatre ans plus tard (début 2029).

Résultats

Vue d'artiste d'un flux de rayons gamma frappant l'observatoire Integral tout en perturbant l'ionosphère.

Bien que disposant d'instruments moins sensibles que l'observatoire spatial gamma Fermi de la NASA, INTEGRAL a obtenu des résultats remarquables. Courant 2021 plus de 1750 publications scientifiques basées sur les données collectées par l'observatoire avaient été publiées. Les découvertes les plus notables sont les suivantes :

• L'observatoire a contribué à percer le mystère entourant l'origine des sursauts gamma. Les scientifiques attribuent désormais la genèse des sursauts gamma longs à l'effondrement incontrôlé d'étoiles massives qui explosent en supernovae. Les sursauts plus courts résultent quant à eux de la collision entre deux trous noirs ou deux étoiles à neutrons.
• En 2017 une équipe internationale exploitant les données d'INTEGRAL et de l'observatoire spatial Fermi ont mesuré simultanément un sursaut gamma en provenance de la même région du ciel qu'un train d'ondes gravitationnelles détecté par les interféromètres LIGO et Virgo. Cela a permis de confirmer l'origine de certains sursauts gamma, à savoir la collision entre deux étoiles à neutrons. Ces résultats ont ouvert de nouvelles perspectives de recherches combinant l'observation du rayonnement électromagnétique , de la lumière et des ondes gravitationnelles (astronomie multimessager).
• En 2014 INTEGRAL observe une émission gamma de basse énergie en provenance de la supernova SN2014J, issue de l’explosion d’une étoile naine blanche située dans la galaxie M82, à une distance de 11,5 années-lumière. Les pics d'émission à 847 keV et à 1238 keV, jamais détectés jusque là en provenance de ce type de supernoval, sont la signature de la décroissance radioactive de noyaux de cobalt radioactif (⁵⁶Co), dont la demi-vie est de 77 jours. Il s’agit de la preuve directe de la production, par nucléosynthèse, d'une importante quantité de noyaux de nickel radioactif (⁵⁶Ni) lors de l'explosion de l'étoile. Le nickel radioactif décroit rapidement, avec une demi-vie de 6 jours, alors que le cobalt radioactif décroit à son tour en noyau de fer (⁵⁶Fe) en émettant les photons gamma nucléaires observées. Selon les modèles de nucléosynthèse, les explosions de supernovae sont la source principale du fer dans l'Univers. Les observations réalisées par INTEGRAL viennent donc confirmer cette hypothèse.

INTEGRAL a permis d'autres découvertes et observations significatives :

• identification de la source du rayonnement X dur diffus de la Voie lactée. Grâce aux observations effectuées sur 6 ans avec l'instrument SPI, les scientifiques attribuent ce rayonnement à l'interaction entre le rayonnement cosmique et le champ de radiation interstellaire.
• l'observatoire spatial permet de découvrir une nouvelle catégorie d'étoiles binaires X massives qui sont identifiées grâce aux observatoires basés sur Terre comme des objets compacts en orbite autour d'étoiles supergéantes.
• INTEGRAL identifie (en juillet 2010), 700 nouvelles sources gamma, dont une catégorie de pulsars capables de produire des champs magnétiques un milliard de fois plus puissants que ceux produits en laboratoire sur Terre. Un catalogue des trous noirs détectés est dressé et doit permettre d'estimer le nombre de trous noirs dans l'Univers. INTEGRAL permet d'établir que le super trou noir au centre de notre galaxie a une activité très faible.
• l'observatoire spatial sert de système d'alerte lors de la venue de sursaut gamma grâce à une utilisation indirecte de son instrumentation. Ce faisant il permet de pointer rapidement d'autres instruments plus performants vers la source de ce phénomène évanescent. Grâce à INTEGRAL, les scientifiques peuvent ainsi détecter une source de sursaut gamma située à faible distance (donc dans un passé proche alors que l'on pense que ce phénomène appartient à une époque lointaine de l'histoire de l'Univers) et dans une gamme de puissance beaucoup plus faible que ce qui est considéré comme la norme, remettant en question l'utilisation des sursauts gamma pour la mesure des distances.
• INTEGRAL dresse une carte de distribution de l'aluminium (isotope 26) permettant d'affiner notre connaissance du processus de nucléosynthèse source de cet atome. Il poursuit une cartographie de la distribution du titane (isotope 44).
• l'instrument SPI permet de réaliser une carte de la distribution des émissions de rayons gamma à 511 keV qui sont produits lors de l'annihilation positon/électron. Les scientifiques peuvent ainsi déterminer qu'environ la moitié de l'antimatière produite dans la galaxie l'est par des trous noirs ou étoiles à neutrons arrachant de la matière à un compagnon de masse inférieure ou égale à celle du Soleil.

Notes et références

Sources

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (en) C. Winkler, T. J.-L. Courvoisier, G. Di Cocco, N. Gehrels, A. Gim´enez, S. Grebenev, W. Hermsen, J. M. Mas-Hesse, F. Lebrun, N. Lund, G. G. C. Palumbo, J. Paul, J.-P. Roques et al., « The INTEGRAL mission », Astronomy & Astrophysics, vol. 411,‎ novembre 2003, p. 1-6 (DOI 10.1051/0004-6361:20031288, lire en ligne). 
  Article officiel de présentation de la mission publié un an après le lancement de l'observatoire.

Caractéristiques techniques de la plateforme, des instruments et du segment sol

• (en) G. Vedrenne,, J.-P. Roques, V. Schönfelder, P. Mandrou, G. G. Lichti et al., « SPI: The spectrometer aboard INTEGRAL », Astronomy & Astrophysics, vol. 411,‎ 17 novembre 2003, p. 8 (DOI 10.1051/0004-6361:20031482, lire en ligne). 
  Caractéristiques de l'instrument SPI.
• (en) P. Ubertini, F. Lebrun, G. Di Cocco, A. Bazzano, A. J. Bird et al., « IBIS : The Imager on-board INTEGRAL », Astronomy & Astrophysics, vol. 411,‎ 17 novembre 2003, p. 9 (DOI 10.1051/0004-6361:20031224, lire en ligne). 
  Caractéristiques de l'instrument IBIS.
• (en) N. Lund, C. Budtz-Jørgensen, N. J. Westergaard, S. Brandt, I. L. Rasmussen et al., « JEM–X: The X-ray monitor aboard INTEGRAL », Astronomy & Astrophysics, vol. 411,‎ 17 novembre 2003, p. 8 (DOI 10.1051/0004-6361:20031358, lire en ligne). 
  Caractéristiques de l'instrument JEM-X
• (en) R. Much, P. Barr, L. Hansson, E. Kuulkers, P. Maldari et al., « The INTEGRAL ground segment and its science operations centre », Astronomy & Astrophysics, vol. 411,‎ 14 août 2003, p. 4 (DOI 10.1051/0004-6361:20031252, lire en ligne). 
  Segment sol.
• (en) J. M. Mas-Hesse, A. Giménez, J. L. Culhane, C. Jamar, B. McBreen et al., « OMC: An Optical Monitoring Camera for INTEGRAL - Instrument description and performance », Astronomy & Astrophysics, vol. 411,‎ 17 novembre 2003, p. 8 (DOI 10.1051/0004-6361:20031418, lire en ligne). 
  Caractéristiques de la caméra OMC.
• (en) W. Hajdas, P. Bühler, C. Eggel, P. Favre, A. Mchedlishvili et A. Zehnder, « Radiation environment along the INTEGRAL orbit measured with the IREM monitor », Astronomy & Astrophysics, vol. 411,‎ 14 81 2003, p. 5 (DOI 10.1051/0004-6361:20031251, lire en ligne). 
  Caractéristiques du moniteur IREM.

Statut et résultats

• (en) Erik Kuulkersa, Carlo Ferrigno, Peter Kretschmar, Julia Alfonso-Garz´on, Marius Baabe, Angela Bazzano, Guillaume B´elanger et al., « INTEGRAL reloaded: spacecraft, instruments and ground system », New Astronomy Reviews, vol. 93,‎ 24 juin 2021, p. 29 (DOI 10.1016/j.newar.2021.101629, lire en ligne). 
  Bilan de la mission en 2021 : description et résultats.
• (en) Christoph Winkler « INTEGRAL: status of the mission – after 10 years » (15-19 octobre 2012) (lire en ligne) [PDF].
  — 9th INTEGRAL Workshop and celebration of the 10th anniversary of the launch. — Statut de l'observatoire 10 ans après le lancement.
• (en) « INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le 17 avril 2026).  — Page très complète sur les opérations menées avec l'observatoire et les découvertes rédigé à partir des différentes sources disponibles.
• (en) P. L. Jensen, K. Clausen, C. Cassi, F. Ravera, G. Janin, C. Winkler et R. Much, « The INTEGRAL spacecraft – in-orbit performance », Astronomy & Astrophysics, vol. 411,‎ 31 juillet 2003, p. 11 (DOI 10.1051/0004-6361:20031173, lire en ligne). 
  Performances en orbite
• (en) Roman A. Krivonos, Antony J. Bird, Eugene M. Churazova, John A. Tomsick, Angela Bazzano et al., « 15 years of Galactic surveys and hard X-ray Background measurements », Arxiv, vol. 341,‎ 22 janvier 2021, p. 23 (DOI 10.1016/j.newar.2021.101612, lire en ligne)
  Résultats de 15 ans de cartographie des sources de rayonnement X dans notre galaxie.
• (en) LIGO Scientific Collaboration and , Fermi Gamma-ray Burst Monitor, and INTEGRAL, Virgo Collaboration, Fermi Gamma-ray Burst Monitor Collaboration et INTEGRAL Collaboration, « Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB 170817A », The Astrophysical Journal Letteres, vol. 848, n^o L13,‎ 20 octobre 2017, p. 27 (DOI 10.3847/2041-8213/aa920c, lire en ligne). 
  Première détection de la contrepartie gamma d'ondes gravitationnelles (2017).

Voir aussi

Articles connexes

• Astronomie gamma
• Horizon 2000
• Sursaut gamma
• INTEGRAL Science Data Centre, le centre de données associé au satellite.
• Rosat.
• XMM-Newton.
• Chandra.
• High Energy Stereoscopic System.

Liens externes

• (en) « Série de 76 articles en ligne parues dans la revue Astronomy & Astrophysics un an après le lancement d'INTEGRAL », sur Astronomy & Astrophysics (consulté le 19 avril 2026)
• (en) « Archives des dépêches de la mission Integral », sur Agence spatiale européenne (consulté le 18 avril 2026)
• (en) « Accès à la liste des publications scientifiques associées à la mission INTEGRAL », sur Cosmos : ESA Science missions, Agence spatiale européenne (consulté le 21 avril 2026)
• (en) « Archives des données collectées par la mission Integral », sur Cosmos : ESA Science missions, Agence spatiale européenne (consulté le 21 avril 2026)
• « Integral sur le site de l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (IRFU) », sur IRFU (consulté le 18 avril 2026)
• « Integral sur le site de l'agence spatiale française », sur CNES, 1^er décembre 2025 (consulté le 18 avril 2026)
• (en) Présentation de 5 ans de résultats.