“极目”双星练就“火眼金睛”:全天候监测宇宙引力波之光

2020-12-10

  中新网北京12月10日电 (记者 孙自法)中国“引力波暴高能电磁对应体全天监测器(英文简称GECAM)”昵称“极目”的两颗空间科学卫星10日凌晨成功发射,这是中国首次发射全天监测引力波电磁对应体的卫星。

“极目”双星太空在轨运行艺术想象图。中科院GECAM项目团队 供图
“极目”双星太空在轨运行艺术想象图。中科院GECAM项目团队 供图

  中国为何要研制“极目”双星?这对被科研人员誉为“孪生兄妹”的空间科学卫星有哪些个性特点?它们将怎样监测、捕捉宇宙中稍纵即逝的引力波之光?中国科学院高能物理研究所的GECAM科学应用系统副总师郑世界和GECAM卫星系统载荷总师李新乔就此进行科普解读。

“极目”双星太空在轨运行艺术想象图。中科院GECAM项目团队 供图
“极目”双星太空在轨运行艺术想象图。中科院GECAM项目团队 供图

  探寻宇宙神秘的波动之光

  顾名思义,引力波就是引力引起的时空波动,实际上引力波通常指引力波暴,它是指两颗致密星体(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,频率一般从几十到一千赫兹,也是目前为止人类唯一探测到的引力波。

  通常情况下引力波极其微弱,即便是来自两个致密天体猛烈碰撞产生的引力波,传播到地球的信号也十分微弱,对探测仪器的灵敏度要求非常高。

“极目”双星太空在轨运行艺术想象图。中科院GECAM项目团队 供图
“极目”双星太空在轨运行艺术想象图。中科院GECAM项目团队 供图

  2015年9月,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)观测到第一个引力波信号,从而打开引力波天文观测的窗口。2017年10月,LIGO和欧洲室女座引力波天文台(Virgo)宣布人类首次直接探测到来自双中子星合并的引力波,并同时“看到”其发出的电磁信号,标志着多信使引力波天文学时代的到来。

  李新乔指出,人类现在虽然已经有能力探测到引力波信号,但受限于地面探测器网络空间定位能力的极限,其中很重要的观测时机往往在距离引力波事件发生的短短几秒之内。因此,后随观测亟需有一台能够及时以较高精度给出引力波暴发生方向的卫星,GECAM项目正是在这种背景下应运而生,其“极目”双星可对和引力波暴几乎同时发生的同源伽马暴的能谱与光变进行连续高精度观测,研究高密度、强引力场、强磁场等极端条件下的高能辐射过程,并且可给出比地面引力波设备精度高出一个量级以上的引力波事件的方向定位信息。

  郑世界表示,为抓住宇宙中稍纵即逝的引力波信号,需要天地间多个设备间紧密合作。GECAM就是为抓住当前引力波天文研究的重要机遇而提出的、专门探测引力波暴高能电磁对应体的小型空间高能望远镜项目。

  “极目”双星主要观测目标包括双致密星并合引力波产生的高能辐射、伽马暴、磁星暴发及快速射电暴等宇宙中剧烈的暴发现象,这些暴发现象在宇宙空间随机随时出现,且持续的时间非常短,通常是分钟、秒乃至毫秒量级内出现。

“极目”双星太空在轨运行艺术想象图。中科院GECAM项目团队 供图
“极目”双星太空在轨运行艺术想象图。中科院GECAM项目团队 供图

  “火眼金睛”助力全天候监测

  “极目”空间科学卫星由两颗完全相同的微小卫星组成,如同“孪生兄妹”一般,科研团队称之为“小极”和“小目”,它们将怎样“抓住”引力波的蛛丝马迹?

  李新乔介绍说,“极目”双星的“眼睛”是用来观看X射线、伽马射线以及高能带电粒子,经过科研人员的精雕细琢,“小极”“小目”都练就了看得宽、看得远、看得清的“火眼金睛”。

  其中,“极目”双星每个伽马射线探测器都由64个均匀排布的硅光电倍增器(SiPM)构成它的“视网膜”,伽马射线探测器的核心是溴化镧晶体,虽然其探测原理同常规闪烁探测器一样,但这种新型晶体是目前为止量产晶体当中性能最好的闪烁晶体。

  为实现对全天区伽马暴的实时连续观测,GECAM采取“极目”双星联合方式,两颗全同的“小极”“小目”在轨飞行时均背向地球,并和地心始终保持三点一线,每颗卫星的视场可覆盖除地球遮挡视场之外的所有天区,从而互补实现全时全天的视场覆盖。

  与此同时,“极目”双星还选择相对较小的29度倾角、约600千米高的圆轨道,这样可以较好避开地球辐射带背景信号过高的区域,加之卫星载荷探测器自身产生的背景信号也保持在较低水平,以及单颗卫星探测器的总探测面积超过1000平方厘米,既能保证对弱天体源的光子信号的收集和探测能力,也将成为几年之内在轨运行的探测伽马暴的灵敏度最高的天文卫星。

  郑世界指出,“极目”双星以180度相位绕着地球运行,分处于地球两端,以确保卫星的观测不会被地球遮挡,可以实现对宇宙中暴发现象“全天无死角”的监测。

  “小极”“小目”相互之间没有直接通讯,只能向地面报告各自的结果。在地面上,科研人员可以清晰掌握双星的观测情况,开展更精确的分析。如果这两颗卫星看到同一个宇宙爆发,有了更多的探测数据,也就相当于探测器的面积增大,其探测灵敏度会提高,定位误差也会大大减小。

  星间通信链路架设星地之“桥”

  李新乔说,GECAM卫星除了对包括引力波伽马暴在内的各种天文暴发现象开展科学观测之外,还担当着一个“哨兵”角色。当“极目”双星“看”到伽马暴事件之后,需要准实时地将相关的关键科学数据下传到地面,再经过快速判断确证后,向全世界发布以引导其他科学卫星、天文望远镜的后随观测。

  在GECAM项目中,科研人员借助星间通信链路架设星地之“桥”,把“极目”双星和地面科学家团队有机连接起来。“极目”卫星是中国第一个实现利用星间通信链路对关键数据开展准实时下传的卫星,其原理与手机发短信类似,只不过星间链路通信是通过卫星无线互连。

  对于“极目”双星来说,所使用的链路是单向下传链路,一次伽马暴发生时,卫星有效载荷上的伽马射线探测器触发在轨定位算法,在星上进行伽马暴定位,并将定位信息、光变和能谱等信息生成精简的快速下传数据,将这些最为关键而精炼的科学数据信息传递给星间链路卫星网,再通过星间链路下传到地面接收站,之后通过一系列地面链路,最终传递给GECAM卫星科学应用系统服务器。

  “我们还需要将卫星上发现的暴发现象尽快对全球发布,以引导其他卫星或地面设备进行后随观测,以实现对重要天文事件多波段、多信使的立体化研究。”郑世界表示,为实现这一目标,GECAM项目团队致力于打造星地间的高速信息通道,实现反应快、处理快、发布快、定位准的“三快一准”目标,以更快更高效地捕捉宇宙间那些稍纵即逝的闪光。

  他透露,“极目”卫星对宇宙暴发事件的在轨触发,由于受到星上硬件设备约束,只能对那些比较强的暴发现象进行触发和粗略定位。因此,GECAM团队在地面上建立了强力计算阵列,处在随时待命状态,一旦接收到新的数据,利用地面庞大的计算能力,就可以对这些数据进行深度的挖掘,可以得到更多的“弱爆发”并进行全面分析。

  李新乔认为,“极目”卫星成功发射运行后,将是近几年内国际上对伽马暴、磁星爆发、快速射电暴、地球伽马闪等暴发事件综合探测能力最强的卫星。

  郑世界则表示,“极目”卫星在轨运行,将对引力波等宇宙重要事件的电磁对应体的发现、证认发挥重要作用。(完)

【编辑:白嘉懿】