12月10日4時14分,我國在西昌衛星發射中心用長徵十一號運載火箭,以「一箭雙星」方式將「引力波暴高能電磁對應體全天監測器」(縮寫為GECAM)衛星送入預定軌道,發射獲得圓滿成功。
GECAM是由中國科學院高能物理研究所牽頭承擔和實施,專門針對近年來新出現的引力波研究重大機遇而提出的「短平快」項目。GECAM由兩個微小衛星組成,「背靠背」地部署在地球兩側,實現獨一無二的全天區覆蓋監測。
GECAM有望獲得最大樣本的引力波伽馬暴,使我國在引力波高能電磁對應體探測研究領域快速佔有重要的優勢地位。GECAM也將探測快速射電暴的高能輻射、特殊伽馬暴、磁星爆發,以及太陽耀斑和地球伽馬閃等,預期將取得一系列重要成果。
GECAM觀測的各種伽馬暴是什麼?為什麼科學界對其熱情這麼高?本文予以簡要解讀。
GECAM衛星示意圖
瞄準引力波伽馬暴觀測機遇期
為什麼要觀測各種伽馬暴?它們是什麼?
先說伽馬暴。伽馬射線暴(簡稱伽馬暴,GRB)是宇宙中十分劇烈的恆星級爆發現象.伽馬暴在短時間(~ms–~100s)內釋放出巨大的能量,與太陽的靜能相當。
傳統的理論認為伽馬暴可以分為兩類:短暴,持續時間小於2s,能譜偏硬。長暴,持續時間大於2s,能譜偏軟。科學家認為,長短暴的種種差異,說明這兩類暴很可能具有截然不同的物理起源:一般認為,長伽馬暴來自大質量恆星的塌縮,而短暴來自於緻密星併合過程。
所謂緻密星併合,可以是中子星-中子星、中子星-黑洞、黑洞-黑洞併合事件,等等。
接下來介紹引力波伽馬暴。這要從引力波說起。
引力波是彎曲時空中的漣漪,是現代物理理論基石之一的廣義相對論的預言,是檢驗自然規律、洞察宇宙的重要手段。近年來,引力波相關研究取得了一系列突破性進展。2015年雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)首次發現引力波。
2017年8月17日,LIGO和Virgo(室女座引力波天文臺)探測了一個持續時間長達一百多秒的引力波信號——GW170817。在探測到引力波事件1.7s後,Fermi衛星在相關區域測探測到了一個短伽馬暴(GRB170817A)的輻射,持續時間約為2s。
這是歷史上第一個被探測到的引力波電磁對應體。引力波信號與伽馬暴輻射之間的時間差為理解伽馬暴噴流的驅動機制、傳播過程和輻射機制提供了全新的重要觀測限制,也可用於檢驗引力波的傳播速度。上述發現,標誌著人類進入了「多信使引力波天文學」的新時代。
對上述短伽馬暴和引力波信號成協事件的觀測研究,為關於短伽馬暴「多緻密天體併合」起源的世紀猜想提供了一個堅實的證據,並極大地豐富了人們對短伽馬暴爆發特性的認識。
但是,在這一領域仍然存在著一系列重大的問題有待進一步的探索和回答。例如,上述GRB170817A輻射性質的特殊之處是否恰如現在所理解的完全來自觀測方向的大角度?如若確實如此,其噴流結構究竟是怎樣的且是如何形成的?在與噴流形成相對應的爆發過程中,短伽馬暴的前兆輻射、瞬時輻射、延展輻射等不同的輻射階段分別對應了怎樣的物理過程和輻射機制?其中,併合產物可能扮演了什麼角色、具有什麼性質?
回答這些問題,無疑需要我們觀測到更多的與引力波成協的短伽馬暴事例。
而隨著地面引力波探測器的投入使用,今後幾年人類預期發現大量的引力波事件,將是探測研究引力波電磁對應體的重要機遇窗口。然而,現有的探測引力波高能電磁對應體(主要是X射線和伽馬射線,簡稱引力波伽馬暴)的空間望遠鏡綜合性能不足,容易錯失寶貴的發現機會。
為了抓住引力波研究的重大機遇,中國科學院高能物理研究所於2016年提出GECAM項目,它具有全時全天視場、高靈敏度、良好的定位精度和寬能段覆蓋的綜合優勢,同時具備在軌觸發定位以及準實時下傳觸發信息的能力,可及時引導空間和地面望遠鏡的後隨觀測,其對引力波伽馬暴的綜合探測性能全面超過現有的或屆時將運行的觀測設備。
GECAM軌道示意圖
GECAM包含兩顆微小衛星,運行於600公裡高度的低地球軌道,軌道面相同,但軌道相位相反,即兩顆衛星總是位於地球的兩側。每顆衛星都能監測除了地球遮擋之外的全部天區,因而,兩顆衛星可聯合監測全部天區,形成捕捉引力波伽馬暴的天網。
可以相信,GECAM將成為觀察雙緻密星併合事件的一個重要窗口,從而使我們有機會觸及引力波和短伽馬暴研究的下一個激動人心的重大發現。
超長和超軟的伽馬暴……GECAM也有望大顯身手
除了短暴,對於超長的伽馬暴的觀測,GECAM也是「專家」。
前文說到,短暴持續時間小於2s,能譜偏硬。長暴,持續時間大於2s,能譜偏軟。長短伽馬暴很可能具有截然不同的物理起源:一般認為,長伽馬暴來自大質量恆星的塌縮,而短暴來自於緻密星併合過程。
近年來通過對數據進一步的發掘,人們意識到該2s的界限會受到儀器效應的影響,人們對伽馬暴「長」「短」的定義實際上更多暗含其物理起源的信息。
近年來,一系列伽馬射線探測器陸續發現一些爆發時間特別長的伽馬暴,持續時間可達104s,甚至大於104s,這類伽馬暴被稱為超長暴。
超長暴的持續時間很長且流量較低,現有的伽馬射線衛星較難被超長暴觸發,即使被觸發,也存在時間解析度不夠以及光變記錄不完整等問題。
對於超長暴,GECAM的靈敏度高,可以被流量較低的超長暴觸發,進而擴充現有的超長暴樣本。另外,GECAM可以全天視場對伽馬暴進行監測,不受地球遮擋的影響,且時間解析度高,方便我們獲得質量較高的完整的超長暴光變和能譜信息。
另一種伽馬暴叫「超軟暴」。顧名思義,它的能譜偏軟,而現有的大多數伽馬射線衛星的探測能段在幾十keV以上,探測超軟暴的效率不高,並且以往和現有的X射線衛星是在伽馬射線探測器被觸發之後數分鐘才開始對該暴進行後續觀測,因此,超軟暴的瞬時輻射在X射線能段普遍缺乏觀測數據。
對此GECAM能夠對低能段(6–100keV)的覆蓋,有利於我們對軟伽馬射線輻射較強的超軟暴開展詳盡的觀測和研究。
【記者】王詩堃