全球天文哨兵,我國的引力波暴天文預警衛星能幹啥?

2020-12-23 星宇飄零

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

最近,我國成功發射了最新研發的天文學預警衛星——引力波暴高能電磁對應體全天監測器衛星(英文全稱Gravitational wave high-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor,英文簡稱:GECAM,暱稱為「極目」,中文名:懷柔一號)。名字這麼長,一看就知道不簡單,事實上也確實是不簡單!且聽我慢慢道來。

跟引力波有關?

看名字就知道這顆衛星跟引力波有關,事實也確實有關,甚至它也跟目前地面的引力波探測器如美國的LIGO(雷射幹涉引力波天文臺)和歐洲的Virgo(室女座)引力波探測器都具有兩個探測臂一樣,「極目」衛星也擁有兩顆衛星。但需要說明的是,極目衛星並不能直接探測引力波,而是探測與引力波事件幾乎同時產生的高能電磁波信號。自然它的兩顆衛星也並非為了探測到兩個垂直方向的時空漣漪,而是為了實現全天候觀測的需要。

火眼金睛——極目衛星

既然不是用來探測引力波的,那它們究竟能幹啥?這其實是一對高能射線探測衛星,其設計的探測頻率為8KeV-2MeV能段的電磁波,對應為從X射線到伽馬射線的頻段,也就是說,只要是這個頻段內的電磁波輻射,它們都能探測到。

能產生這個頻率範圍電磁輻射的並不僅限於引力波的光學對應體,也就是說並不限於能產生引力波的天體。能產生高能的X射線和伽馬射線的天文事件很多,比如超新星爆發、黑洞噴流、磁星爆發、太陽耀斑、當然少不了引力波事件中的中子星併合,甚至地球也能產生由閃電引發的地球伽馬閃。因此,雖然這對衛星被命名為引力波暴高能電磁對應體全天監測器衛星,但其實它們一開始就被賦予了更多的使命,其探測對象包括:引力波高能電磁對應體、快速射電暴高能輻射、磁星爆發、太陽耀斑、地球伽馬閃等。極目將是未來數年內探測這些高能電磁想像最靈敏的人類探測器!

見鬼,跟引力波有什麼關係?

你可能要說,既然極目衛星能進行如此多種類的高能天文現象觀測,為何偏偏要以「引力波暴高能電磁對應體」作為重點命名?還把名字拉得那麼長……

說來話長,我們要從一次天文學事件說起,在很久很久以前……嗯?…啊…在三年多以前,即2017年8月17日,費米伽瑪射線空間望遠鏡監測到一次伽馬射線短暴,持續時間大約2秒,這一事件被編號為GRB170817A。(編號中GRB=Gamma-Ray Burst,即伽馬射線暴)

在此後6分鐘左右,LIGO的電腦數據分析系統檢測出一次持續約100秒的引力波事件,在大約40分鐘後,LIGO和Virgo宣布發現雙中子星併合引力波事件,並根據引力波信號到達三個探測器(LIGO兩個+Virgo一個)的時間差給出了引力波源的大致方位。由於這次引力波事件Virgo也探測到了,使其定位精度大大高於此前的引力波事件。也就是說引力波源所在的天區範圍大大縮小了。這次引力波事件被編號為GW170817。(GW=Gravitational wave,即引力波)

由於引力波與伽馬射線短爆被探測到的時間僅相差1.7秒,(引力波先到,先被確認的伽馬射線後到)科學家由此判斷為同一個天文事件。在獲得了LIGO與Virgo給出的大致方位後,全球不同地方、不同波段的地面望遠鏡和空間望遠鏡都同時指向該天區進行搜尋。

但由於LIGO和Virgo給出的天區對於如此遙遠和暗弱的天體來說,依然過於寬泛,其波源的天區面積約為滿月面積的150倍,大約60平方度。因此直到引力波到達地球近11小時後,才被美國拉斯坎帕納斯天文臺的1米口徑近紅外線波段的斯沃普望遠鏡找到其光學對應體——位於長蛇座的橢圓星系NGC 4993,距離地球39.5百萬秒差距,約為1.3億光年。

但這11小時搜尋過程讓全球的天文學家錯過了雙中子星併合後最初階段光學信號的寶貴觀測時間……由此,極目衛星應運而生。

多信使天文學的利器,多波段觀測的哨兵

GW170817雙中子星併合引力波事件的全球天文臺聯合觀測開啟了一個天文觀測的新時代——多信使天文學時代!天文學家通過引力波、中微子、多波段電磁波實現同一信號源不同信息源從聯合觀測,能獲取儘可能多的觀測數據。但前面提到的一個橫亙在天文學家面前的困難——信號源搜尋。這是多波段電磁波聯合觀測的基礎,由於電磁信號都需要聚焦,因此你要觀測得首先知道信號源的準確方位,把天線或大口徑望遠鏡聚焦到那個方位,而目前的引力波和伽馬射線衛星都做不到。

所以現在大家應該已經猜到了,我們的極目衛星就是要解決這個問題的!LIGO的定位精度為幾百平方度,LIGO+Virgo的定位精度為幾百平方度,而極目(GECAM)的定位精度為幾平方度,定位精度提高了一個數量級。

到此,我們可以回答題目中的問題:我國的引力波暴高能電磁對應體全天監測器衛星能幹啥?能為引力波事件提供全球最精確的定位,為後續的電磁波多波段觀測爭取寶貴的時間。

在下一篇文章,我將介紹這個史上顏值最高的天文衛星的結構,敬請關注和閱讀。

先來看一下它們的帥照吧

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