INTEGRAL ( 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, 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 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 , 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 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 () est installé à Noordwijk (Pays-Bas) tandis que le centre de stockage des données ISDC () 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 constituée 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 particulièrement 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). À 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 survolé 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 suffisamment 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