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【中国青年报】中国“极目”卫星上天,全天候“追捕”引力波
2020-12-10|文章来源:邱晨辉 |【
 

  12月10日4时14分,我国在西昌卫星发射中心用长征十一号固体运载火箭将引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星(简称GECAM)发射升空,两颗卫星成功进入预定轨道。这是我国首次发射全天监测引力波电磁对应体的卫星。

  GECAM由两颗完全相同的微小卫星组成,如同“孪生兄妹”一般,科研团队给这两颗小卫星起了昵称——“极目”,这也是GECAM英文的谐音。“小极”和“小目”分布于地球两侧,形成两“极”之势,犹如二“目”,将对黑洞、中子星等极端天体的剧烈爆发现象进行观测。

  那么,这一对“孪生兄妹”,要怎么才能“抓住”引力波的蛛丝马迹?

   

    

  GECAM在轨运行艺术图,中科院高能所供图

  穿越亿万光年的引力波 

  人们通常所说的引力波,实际上是指引力波暴。引力波暴是指两颗致密星——两颗黑洞、两颗中子星或一颗黑洞和一颗中子星并合产生的引力波。这是一种高频引力波,频率一般是从几十到一千赫兹,也是目前为止人类唯一探测到的引力波。

  2016年2月,激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布人类于2015年9月14日首次探测到两颗黑洞并合产生的引力波,开启了“聆听宇宙”的引力波天文学时代。

  这之后,双黑洞并合一般认为不能产生电磁对应体,也就是不发光——人类看不见它。直到2017年8月17日,LIGO和室女座引力波天文台(Virgo)宣布人类首次探测到了双中子星并合引力波事件,全球的很多望远镜首次观测到了产生引力波天体发出的光——引力波电磁对应体。这一发现提供了全面理解引力波天体爆发过程、研究一系列基本物理规律的关键信息。

  中科院高能所GECAM卫星系统载荷总师李新乔说,引力波和与之相伴的伽马暴都携带了丰富的物理信息,穿越亿万光年,向人们展现和描绘这一重大物理事件的始末。天文学家通过多种观测和数据分析手段对其中所携带的信息进行解读,可以检验已有的理论模型,发展新的理论模型,从而揭示这一宇宙高能过程的内在规律。

  李新乔表示,来自遥远的高能天体源的X射线和伽马射线虽然能量很高,但是却被地球大气强烈地吸收。因此,对高能天体源的探测只能在大气层之外的宇宙空间进行。这就让GECAM卫星有了用武之地,它可以敏锐地发现我们所看不见的X射线、伽马射线以及高能带电粒子。

  按照他的说法,X射线和伽马射线能段的电磁波因为能量较高,因此这个波段的电磁对应体被成为引力波高能电磁对应体。它们在双致密星并合之后往往最先出现,探测它们可以为其他波段进行后随观测提供目标位置等重要信息;同时,引力波事件的高能辐射转瞬即逝、难以捕捉,蕴含引力波源的重要信息,对其进行高灵敏度的全天监测显得尤为重要。

  双星联合实现全时全天“追捕” 

  2016年3月,中科院高能所提出了引力波暴高能电磁对应体全天监测器项目概念,就是为了捕捉转瞬即逝的引力波高能电磁对应体,抓住引力波天文学时代的重要研究机遇。

  据中科院高能所GECAM卫星科学应用系统副总师郑世界介绍,GECAM任务包含两颗微小卫星,每颗由有效载荷(也就是科学仪器)和卫星平台组成。

  具体来看,GECAM卫星轨道高度600公里,倾角29度。两颗卫星运行于相同轨道面内,且轨道相位相差180°。每颗GECAM卫星可监测除了地球遮挡之外的全部天区,两颗卫星联合可形成对全天完整监测。

   

   

  
  GECAM卡通图,中科院高能所供图

  “对于单颗处于近地轨道的天文卫星来说,即使卫星上的探测器视场覆盖所有方向,地球也会遮挡大约三分之一的天空。”李新乔说,因此,单颗近地卫星无法实现全天区的实时观测。

  相比之下,GECAM采取双星联合的方式。两颗全同的GECAM卫星在轨飞行时均背向地球,它们和地心始终保持三点一线。每颗GECAM卫星的视场可以覆盖除地球遮挡视场之外的所有天区,这样就实现了全时全天的视场覆盖。

  “对于转瞬即逝的引力波高能电磁对应体,GECAM卫星也能毫不费力地捕捉到,而且能利用新型实时下传系统,引导各类观测设备进行后随观测。”郑世界说,GECAM卫星在监测天区范围、能区覆盖、探测灵敏度和定位精度等指标方面相对于国际上其他卫星具有显著的综合优势,预期将发现最大样本的引力波伽马暴和新型引力波电磁对应体,探索河外快速射电暴的产生原因,发现一批特殊伽马暴,监测一批磁星的完整爆发过程,推动破解黑洞、中子星等致密天体的形成和演化,以及双致密星并合之谜。

  此外,GECAM还将观测快速射电暴高能辐射、高能中微子伴随的高能辐射并探测其它类型的伽马射线暴、磁星爆发、太阳耀斑和地球伽马闪等,进一步研究其物理机制。

  卫星载荷研制团队平均年龄35岁 

  李新乔说,GECAM卫星于2018年底正式批复立项;自立项批复至发射仅两年时间,研制周期短,任务重、难度大;卫星载荷研制团队平均年龄35岁,但工程经验丰富。

  据他介绍,在原本紧张而有限的研制时间里,研制团队还遇上了突发的新冠疫情,载荷研制人员赴异地测试需隔离、外协单位生产受严重影响、无法面对面开协调会议……这些无疑都给团队制造了空前的困难,打乱了原本紧张有序的工作节奏。

  李新乔说,作为中科院粒子天体物理重点实验室的重要项目,实验室加派了各方人手,研制人员一起忘我工作,克服了载荷研制和疫情带来的重重困难,团结一致,加班加点,几乎没有休过周末和假期,终于不负众望按照技术指标和计划进度完成了任务。

  “此次发射的GECAM卫星,将成为几年之内在轨运行的监测伽马暴灵敏度最高的天文卫星。”李新乔说,看得宽、看得远、看得清离不开高科技的“眼睛”,GECAM的每一只“眼睛”都晶莹剔透,经过了研制人员的精雕细琢,练就“火眼金睛”。

   

  GECAM卫星载荷力学试验现场图,中科院高能所供图

  过去几年,暗物质粒子探测卫星“悟空”、实践十号返回式科学实验卫星、量子科学实验卫星“墨子”、硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”……这些中科院空间科学先导专项一期的首批卫星,给人们带来一个又一个科学发现。

  2019年8月31日,中科院空间科学先导专项二期首颗技术验证卫星——微重力技术实验卫星“太极一号”成功发射,迈出我国空间引力波探测奠基性的第一步。

  记者了解到,除“太极一号”和GECAM卫星外,中科院专项二期还部署了先进天基太阳天文台、爱因斯坦探针和太阳风-磁层相互作用全景成像卫星等空间科学卫星计划,将在未来3至4年内陆续发射,有望在太阳爆发活动、时域天文学、日地关系等方面取得重大原创性成果。

(源自中国青年报客户端 2020-12-10)


 
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