余談：5年間のミッションから20年近くが経過したINTEGRALは、依然としてガンマ線製品を供給し続けている。

スペース エクステンダーESA が、その宇宙船群の使用期限を数年、あるいは数十年も過ぎても稼働させ続ける方法を調査するThe Registerシリーズの最後から 2 番目の今回は、INTEGRAL を取り上げます。

2002年10月17日にバイコヌール宇宙基地のプロトンロケットに搭載されて打ち上げられたESAの国際ガンマ線天体物理学研究所（INTEGRAL）は、天文学における最大の謎のいくつかを解明することを目的としたミッションです。

INTEGRALは1993年にESAの科学計画委員会から承認を受け、ホライズン2000計画における2番目の中規模ミッションです。NASAとロシアはESAと協力し、NASAは搭載機器の開発と地上局の観測時間を提供し、ロシアは観測時間の提供と引き換えにプロトンロケットへの無償搭乗を提供しました。

ガンマ線は地球の大気圏で遮られるため、その研究に最適なのは宇宙です。長年にわたり、ガンマ線を研究するために多くの宇宙船が打ち上げられてきました。例えば、1975年に打ち上げられ、1982年まで（予想よりもかなり長く）運用されたヨーロッパのCOS-B、1989年の打ち上げ後9年間の科学観測を行ったロシアのグラナート、そして1991年のSTS-37でスペースシャトル・アトランティスから放出され、1999年末の軌道離脱まで運用されたNASAのコンプトン・ガンマ線観測衛星（CGRO）などが挙げられます。

衛星本体の高さは5メートル、重量は4トンです。発電・調整、制御、通信機能を備えたサービスモジュールは、XMMニュートンで使用されていたものを改造したもので、これがINTEGRALの並外れた長寿命の理由をある程度説明しています。当初2年間のミッション、その後5年間の延長が予定されていたINTEGRALは、今年で打ち上げ18周年を迎え、2029年まで運用を継続する計画が進行中です。

レジスター誌は、 INTEGRALの宇宙船運用マネージャーであるリチャード・サウスワース氏とプロジェクト科学者のエリック・クールカーズ博士に、長寿命の宇宙船を運用する上での課題と利点について話を聞いた。

現代社会で機能する

INTEGRALはあらゆる期待を上回る性能を発揮しているが、サウスワース氏の言葉を借りれば、その運用環境は「決して良好ではなく、むしろ悪化している」。衛星は3日間周回する非常に楕円形の軌道を描いており、遠地点高度は15万3000キロメートルに達する。つまり、衛星は地球の放射線帯の外側で多くの時間を過ごすことになるのだ。

しかし、サウスワース氏はこう指摘した。「軌道はかなり変化しています。そして劇的に変化したものの一つが近地点高度です。」

ESAは現在、近地点高度を9,000kmとしていますが、インテグラルがこれらの放射線帯（ヴァン・アレン帯として知られる）を通過するたびに、捕捉された重い陽子粒子の衝撃を受けます。最も顕著な影響は、長年にわたる太陽電池パネルの徐々に進行する劣化です。

「電力出力が低下しています」とサウスワース氏は説明した。「まだ危機的な状況ではありませんが、管理が困難になるでしょう。そのため、現在、この電力予算の問題に対処するための計画を立てています。これに関連して、他の電子部品にも影響が出ていることに気づいています。」

チームはミッションの過程でビット反転をほとんど経験していないが、サウスワースは2019年に一連のコンピュータクラッシュを記録した。これは最終的にインターフェースユニットに起因するもので、応答が遅くなり、タイムアウトが発生していた（そして再起動が必要になった）ことが原因であることが判明した。

チームは、リードタイムの​​延長に対応するために、搭載コンピューターの負荷を分散させるため、テレメトリ取得を再プログラムすることでこの問題に対処しました。

「ソフトウェアサイクルでは常に同じ割り込みが発生していました」と彼は語った。「そしてこれがタイムアウトを引き起こしていました。最終的に、これが3つの大きな複雑なテレメトリパケットの取得と構築と一致していることがわかりました。」

「このデータの取得を複数の割り込みに分散し、この複雑なデータの一部を、機器からのより単純なデータ パケットに置き換えました。

「今のところ効果は出ているようです。昨年8月以降、再発は見られません。」

ほぼすべての機器は一度はパッチを当てられているが、中央コンピューターのソフトウェアは一度も変更されたことがなく、「このままにしておきたい」とサウスワース氏は語った。

最新の機器パッチでは、メモリページ内の永続的なビット障害を回避するコードを開発する必要がありました。「かなりシンプルなパッチでした」とサウスワース氏は説明します。劇的な変化ではありませんでしたが、「このパッチによって、私たちがそれを実行でき、コンパイル、アップリンク、そして起動できることが証明されました。」

ヒーターや電源などの宇宙船システムを制御するトランジスタスイッチが時折切り替わるだけでなく、軌道の変化により地上局の観点からは継続的な再計画が必要になります。INTEGRALには科学観測用のストレージが搭載されていないため、観測のために地球との通信を維持する必要があります。

もう一つの課題は、多くのIT管理者が経験していることでしょう。それは、ハードウェアとソフトウェアの陳腐化です。INTEGRALの制御システムは、1990年代後半に当時のSun Solarisハードウェア上で開発されました。陳腐化は、システムとインターフェースの移植（あるいはインターフェースのメンテナンス）を意味していました。

「私たちの地上システムがこの現代世界でも機能し続けるように確認することは、私たちの仕事の大きな部分を占めています。」

ゼロから始める

太陽電池パネルの劣化といった恒久的な問題以外にも、チームは長年にわたり、多くの一時的な故障にも対処してきました。シングルイベントアップセット（SEU）は最も大きな課題の一つであり、宇宙船の復旧に数日かかることもあります。

1 つは、10 年ほど前に発生したもので、サウスワース氏が「完全なセーフ モード」と呼ぶ状態に INTEGRAL を置き去りにしていた。

SEU の結果、すべての電源が自動的にオフになりました。「すべての計器の電源はオフになっていて、基本的なヒーターだけがオンになっていました」と彼は思い出します。

「基本的に、ゼロから始めなければなりませんでした。打ち上げのようなものです。打ち上げ前の状態から衛星の電源を入れ、すべてのモードを切り替え、メモリを読み込み、機器の設定、検出器の設定など、様々な作業を行いました。そして、損傷がないか、設定が正しいかなどを確認しました。」

この出来事は別の問題を浮き彫りにした。サウスワース氏は、当初のチームで唯一残っているメンバーだ。「あれからチーム全体が2回も入れ替わった」と彼は説明した。幸いにも当初の手順は非常によく練られていたが、「私たちにとっては未知の領域だった。興味深い1週間だった」

INTEGRALはその長寿命のおかげで、ESAの豊かな伝統である1つか2つの追加機器の搭載も引き継いでいます。4つの機器（分光計SPI、撮像素子IBIS、X線モニターJEM-X、光学モニターOMC）を搭載して打ち上げられたこの衛星は、背景放射を評価し、科学ペイロードの感度と性能を評価するための放射線モニターも搭載しています。

表面上は他の機器を保護するために設置されているものの、この放射線モニターは科学にとって興味深い二次情報源であることが証明されています。エンジニアや科学者たちは、この装置から返されたデータを用いてヴァン・アレン帯の3Dモデルを構築したほか、その情報をモデルに入力して太陽電池アレイの劣化の進行を予測しています。

エリック・クールカーズ博士もこれに同意し、このモデリングを「私たちが行っているのは、むしろ偶然の科学だ」と表現した上で、「主な目的は天文学を行うことだ」と付け加えた。

INTEGRALは、その20年近くの運用期間中に、近くの赤色巨星によって蘇ったと思われる死んだ星、食べられていくブラックホール、プラズマのジェットを「吐き出している」ように見えるブラックホールの観測など、多くの発見をしてきたが、クーカーズ氏が最も誇りに思っているのは、この衛星が重力波の観測に関与していることだ。

ガンマ線観測所は、NASAのフェルミ衛星とともに2秒間の放射線バーストを捉えたが、それ自体はそれほど珍しいことではなかった（INTEGRALは年間約20回観測している）が、米国のレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）実験が重力波の通過を記録する数秒前だった。

これまで、重力波はブラックホールの衝突に起因すると考えられてきました。しかし今回は、INTEGRAL、LIGO、Fermi、そしてヨーロッパのVirgo観測装置からのデータを組み合わせることで、科学者たちはこの現象が中性子星の合体によって引き起こされたことを示すことができました。

「これは画期的な発見だ」とクールカーズ氏は当時述べ、「重力波と高エネルギー光が同じ宇宙の源から放出されていることを初めて明らかにした」と語った。

「その信号は、機器の周囲のシールドによって観測されました。通常の視野の外側にガンマ線バーストがあったとしても、シールドによって背景のようなものとして検出することができます。」と彼は語った。

この発見は、当初ミッションの終了が予想されていた10年後、インテグラルの打ち上げ15周年が近づく頃に行われた。

INTEGRAL が長年にわたり返してきた膨大な量のデータは科学者にとって恩恵となっているが、この宇宙船は将来のミッションの較正ソースとしても機能している。

しかし、すべての良いことは、最終的には終わりを迎えます。