Instrumentos

A missão INTEGRAL é composta por dois instrumentos principais: uma câmara de raios gama (IBIS) e um espectrómetro (SPI). Para além destes instrumentos, existem dois instrumentos auxiliares: um monitor de raios X e uma câmara óptica. Todos estes instrumentos estão co-alinhados e observam a mesma região do céu simultaneamente, permitindo uma identificação das fontes de raios sem ambiguidades.

IBIS (Imager on-Board INTEGRAL Satellite)

A câmara IBIS é um instrumento que produz as belas imagens raios gama do céu (em cores falsas, pois os raios gama não são visíveis) com a melhor resolução jamais conseguida até hoje para este tipo de radiação. A sua resolução angular é de 12 minutos de arco e tem sensibilidade espectral para uma banda de energias compreendida entre 15 keV e 10 MeV.

A detecção de radiação gama é possível graças a dois planos de detecção paralelos sobrepostos, com uma distância entre planos de 90 mm. O plano superior, ISGRI (Integral Soft Gamma-Ray Imager) é constituído por 16384 píxeis do semicondutor telureto de cádmio (CdTe) dispostos numa matriz de 128x128 elementos. Cada um desses píxeis tem as dimensões de 4x4x2 mm3, perfazendo cerca de 2600 cm2 de superfície activa de detecção. Este plano de detecção tem por função a detecção de raios gama de baixa energia. O plano de detecção inferior, PICsIT, é constituído por 4096 (64x64) píxeis do cintilador iodeto de césio (CsI). As dimensões de cada pixel são de 9x9x30 mm3, o que perfaz uma superfície total de detecção de cerca de 3100 cm2. O plano de detecção PICsIT (PIxellated CsI Telescope) foi concebido para a detecção de raios gama de energias mais elevadas.

A utilização de dois planos de detecção ajuda à determinação das trajectórias a três dimensões dos fotões gama quando estes interagem com mais do que um elemento de detecção.

O IBIS possui uma máscara codificada 3,2 m acima do seu plano de detecção.

A blindagem dos planos de detecção da radiação de fundo - radiação responsável pela produção de sinais no detector correspondente a fotões que não atravessam a entrada do telescópio mas sim as suas paredes laterais - é realizada por cristais de BGO (Bi4Ge3O12) e por um tubo cilíndrico de chumbo.

Espectrómetro SPI (Spectrometer on INTEGRAL)

O instrumento SPI é espectrómetro de grande precisão, este tipo de instrumentos tem a capacidade produzir espectros de energia do objecto que emitiu a radiação gama. Estes espectros funcionam como uma espécie de impressão digital de radiação gama (ou assinatura gama) característica de cada astro. Cada espectro corresponde à distribuição de fotões de raios X e raios gama (espectro de energia) em função da energia. São estes espectros produzidos pelos fotões detectados pelo espectrómetro SPI do satélite INTEGRAL que permitem a identificação do tipo de corpo que está a ser observado pelo telescópio.

O espectrómetro SPI tem a capacidade de obter espectros de raios gama com uma excelente resolução; cerca de 100 vezes melhor que a resolução obtida através dos instrumentos precedentes que foram colocados no espaço para estudar os mesmos raios gama. O espectrómetro SPI realiza a análise espectral do céu numa banda de energias compreendida entre 20 keV e 8 MeV conseguindo-se obter resoluções da ordem dos 2,2 keV (FWHM) para 1,33 MeV.

O SPI é constituído por um conjunto de 19 detectores hexagonais de germânio (Ge) de alto grau de pureza e é arrefecido a uma temperatura de -188° C (85 K). Este material semicondutor é dos que apresenta melhores prestações na detecção de raios gama, no entanto o Ge comporta uma grande desvantagem. O Ge é um semicondutor cujas suas propriedades só servem para a detecção de radiação se este material for arrefecido a temperaturas muito baixas. Por este motivo, o SPI teve que ser equipado com um sistema de arrefecimento que torna o espectrómetro extremamente pesado (1300 kg) e por conseguinte o orçamento da missão é mais caro, pois cada kg que se transporta para espaço tem um custo bastante elevado (superior a 15 mil euros por quilo). Embora a utilização de detectores de germânio permita obter melhores prestações espectroscópicas, em geral o Ge constitui uma solução cara quando comparada com outros tipos de detectores que funcionam à temperatura ambiente ou numa gama de temperaturas mais alargadas.

O SPI tem uma área de detecção total de cerca de 500 cm2 e está equipado com uma máscara codificada hexagonal colocada a 1,70 m acima do plano de detecção de modo a poder produzir imagens de regiões mais extensas do céu.

O SPI é protegido por cristais de BGO que cobrem o fundo e as paredes laterais do espectrómetro quase até à máscara codificada. Estes detectores de protecção vão descontar quase todas as interacções que ocorrem nos detectores produzidas pela radiação indesejável que entra no SPI atravessando as paredes laterais e a retaguarda do instrumento.

JEM-X

O instrumento JEM-X (Joint European X-ray Monitor) é um dos instrumentos auxiliares da missão INTEGRAL. Este instrumento tem um papel importante na determinação e identificação das fontes de raios gama estudadas pelos instrumentos principais, visto que as mesmas fontes emitem igualmente raios X. O JEM-X realiza observações simultâneas com os instrumentos principais, fornecendo imagens na banda entre os 3 e os 35 keV com uma resolução angular de 3 minutos de arco. O JEM-X é composto por dois detectores gasosos idênticos que contêm uma mistura de xénon (Xe) e metano a 1,5 atmosferas, onde microfitas cruzadas de Ge são os elementos responsáveis pela determinação da posição de interacção. A superfície total de detecção é de cerca de 1000 cm2. O JEM possui duas máscaras codificadas idênticas colocadas 3,2 m acima do plano de detecção.

OMC

A câmara óptica OMC (Optical Monitoring Camera) é outro dos instrumentos auxiliares da missão INTEGRAL cujo objectivo é o de efectuar observações simultâneas de radiação visível que é emitida pelas fontes de raios gama. Pela primeira vez serão efectuadas observações de longa duração de radiação visível emitida por fontes de raios X e raios gama, deste modo o OMC fornece informação complementar àquela obtida através dos instrumentos que detectam os raios gama provenientes do mesmo objecto celeste. O OMC opera numa banda de comprimentos de onda entre os 500 e os 600 nm.

Observação em comprimentos de onda múltiplos

A missão INTEGRAL permite efectuar observações de larga banda do Universo. O conjunto dos seus instrumentos fornecem observações simultâneas em sete ordens de magnitude de energia de fotões, o que é inédito na construção de instrumentos para estudar o Universo das altas energias. As observações em comprimentos de onda múltiplos são particularmente importantes em astrofísica das altas energias, pois tipicamente as variações de intensidade das emissões de radiação são muito rápidas.

Máscara Codificada

Como os raios gama não podem ser focados através de lentes e espelhos convencionais, pois os raios gama atravessam os elementos ópticos clássicos praticamente sem serem desviados ou absorvidos, comportam-se como se eles não estivessem lá, o INTEGRAL utiliza uma técnica completamente diferente para formar as suas imagens, chamada a técnica da máscara codificada. É um método de descodificação matemática que permite obter a amplificação do sinal proveniente dos detectores através de um padrão especial da máscara codificada que é colocada sobre a abertura do telescópio. O padrão da máscara é definido por uma combinação de áreas opacas e transparentes à radiação.