中新網北京12月10日電 (記者 孫自法)中國「引力波暴高能電磁對應體全天監測器(英文簡稱GECAM)」暱稱「極目」的兩顆空間科學衛星10日凌晨成功發射，這是中國首次發射全天監測引力波電磁對應體的衛星。
「極目」雙星太空在軌運行藝術想像圖。中科院GECAM項目團隊 供圖
中國為何要研製「極目」雙星？這對被科研人員譽為「孿生兄妹」的空間科學衛星有哪些個性特點？它們將怎樣監測、捕捉宇宙中稍縱即逝的引力波之光？中國科學院高能物理研究所的GECAM科學應用系統副總師鄭世界和GECAM衛星系統載荷總師李新喬就此進行科普解讀。
「極目」雙星太空在軌運行藝術想像圖。中科院GECAM項目團隊 供圖
探尋宇宙神秘的波動之光
顧名思義，引力波就是引力引起的時空波動，實際上引力波通常指引力波暴，它是指兩顆緻密星體(兩顆黑洞、兩顆中子星或一顆黑洞和一顆中子星)併合產生的引力波，頻率一般從幾十到一千赫茲，也是目前為止人類唯一探測到的引力波。
通常情況下引力波極其微弱，即便是來自兩個緻密天體猛烈碰撞產生的引力波，傳播到地球的信號也十分微弱，對探測儀器的靈敏度要求非常高。
「極目」雙星太空在軌運行藝術想像圖。中科院GECAM項目團隊 供圖
2015年9月，美國雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)觀測到第一個引力波信號，從而打開引力波天文觀測的窗口。2017年10月，LIGO和歐洲室女座引力波天文臺(Virgo)宣布人類首次直接探測到來自雙中子星合併的引力波，並同時「看到」其發出的電磁信號，標誌著多信使引力波天文學時代的到來。
李新喬指出，人類現在雖然已經有能力探測到引力波信號，但受限於地面探測器網絡空間定位能力的極限，其中很重要的觀測時機往往在距離引力波事件發生的短短幾秒之內。因此，後隨觀測亟需有一臺能夠及時以較高精度給出引力波暴發生方向的衛星，GECAM項目正是在這種背景下應運而生，其「極目」雙星可對和引力波暴幾乎同時發生的同源伽馬暴的能譜與光變進行連續高精度觀測，研究高密度、強引力場、強磁場等極端條件下的高能輻射過程，並且可給出比地面引力波設備精度高出一個量級以上的引力波事件的方向定位信息。
鄭世界表示，為抓住宇宙中稍縱即逝的引力波信號，需要天地間多個設備間緊密合作。GECAM就是為抓住當前引力波天文研究的重要機遇而提出的、專門探測引力波暴高能電磁對應體的小型空間高能望遠鏡項目。
「極目」雙星主要觀測目標包括雙緻密星併合引力波產生的高能輻射、伽馬暴、磁星暴發及快速射電暴等宇宙中劇烈的暴發現象，這些暴發現象在宇宙空間隨機隨時出現，且持續的時間非常短，通常是分鐘、秒乃至毫秒量級內出現。
「極目」雙星太空在軌運行藝術想像圖。中科院GECAM項目團隊 供圖
「火眼金睛」助力全天候監測
「極目」空間科學衛星由兩顆完全相同的微小衛星組成，如同「孿生兄妹」一般，科研團隊稱之為「小極」和「小目」，它們將怎樣「抓住」引力波的蛛絲馬跡？
李新喬介紹說，「極目」雙星的「眼睛」是用來觀看X射線、伽馬射線以及高能帶電粒子，經過科研人員的精雕細琢，「小極」「小目」都練就了看得寬、看得遠、看得清的「火眼金睛」。
其中，「極目」雙星每個伽馬射線探測器都由64個均勻排布的矽光電倍增器(SiPM)構成它的「視網膜」，伽馬射線探測器的核心是溴化鑭晶體，雖然其探測原理同常規閃爍探測器一樣，但這種新型晶體是目前為止量產晶體當中性能最好的閃爍晶體。
為實現對全天區伽馬暴的實時連續觀測，GECAM採取「極目」雙星聯合方式，兩顆全同的「小極」「小目」在軌飛行時均背向地球，並和地心始終保持三點一線，每顆衛星的視場可覆蓋除地球遮擋視場之外的所有天區，從而互補實現全時全天的視場覆蓋。
與此同時，「極目」雙星還選擇相對較小的29度傾角、約600千米高的圓軌道，這樣可以較好避開地球輻射帶背景信號過高的區域，加之衛星載荷探測器自身產生的背景信號也保持在較低水平，以及單顆衛星探測器的總探測面積超過1000平方釐米，既能保證對弱天體源的光子信號的收集和探測能力，也將成為幾年之內在軌運行的探測伽馬暴的靈敏度最高的天文衛星。
鄭世界指出，「極目」雙星以180度相位繞著地球運行，分處於地球兩端，以確保衛星的觀測不會被地球遮擋，可以實現對宇宙中暴發現象「全天無死角」的監測。
「小極」「小目」相互之間沒有直接通訊，只能向地面報告各自的結果。在地面上，科研人員可以清晰掌握雙星的觀測情況，開展更精確的分析。如果這兩顆衛星看到同一個宇宙爆發，有了更多的探測數據，也就相當於探測器的面積增大，其探測靈敏度會提高，定位誤差也會大大減小。
星間通信鏈路架設星地之「橋」
李新喬說，GECAM衛星除了對包括引力波伽馬暴在內的各種天文暴發現象開展科學觀測之外，還擔當著一個「哨兵」角色。當「極目」雙星「看」到伽馬暴事件之後，需要準實時地將相關的關鍵科學數據下傳到地面，再經過快速判斷確證後，向全世界發布以引導其他科學衛星、天文望遠鏡的後隨觀測。
在GECAM項目中，科研人員藉助星間通信鏈路架設星地之「橋」，把「極目」雙星和地面科學家團隊有機連接起來。「極目」衛星是中國第一個實現利用星間通信鏈路對關鍵數據開展準實時下傳的衛星，其原理與手機發簡訊類似，只不過星間鏈路通信是通過衛星無線互連。
對於「極目」雙星來說，所使用的鏈路是單向下傳鏈路，一次伽馬暴發生時，衛星有效載荷上的伽馬射線探測器觸發在軌定位算法，在星上進行伽馬暴定位，並將定位信息、光變和能譜等信息生成精簡的快速下傳數據，將這些最為關鍵而精煉的科學數據信息傳遞給星間鏈路衛星網，再通過星間鏈路下傳到地面接收站，之後通過一系列地面鏈路，最終傳遞給GECAM衛星科學應用系統伺服器。
「我們還需要將衛星上發現的暴發現象儘快對全球發布，以引導其他衛星或地面設備進行後隨觀測，以實現對重要天文事件多波段、多信使的立體化研究。」鄭世界表示，為實現這一目標，GECAM項目團隊致力於打造星地間的高速信息通道，實現反應快、處理快、發布快、定位準的「三快一準」目標，以更快更高效地捕捉宇宙間那些稍縱即逝的閃光。
他透露，「極目」衛星對宇宙暴發事件的在軌觸發，由於受到星上硬體設備約束，只能對那些比較強的暴發現象進行觸發和粗略定位。因此，GECAM團隊在地面上建立了強力計算陣列，處在隨時待命狀態，一旦接收到新的數據，利用地面龐大的計算能力，就可以對這些數據進行深度的挖掘，可以得到更多的「弱爆發」並進行全面分析。
李新喬認為，「極目」衛星成功發射運行後，將是近幾年內國際上對伽馬暴、磁星爆發、快速射電暴、地球伽馬閃等暴發事件綜合探測能力最強的衛星。
鄭世界則表示，「極目」衛星在軌運行，將對引力波等宇宙重要事件的電磁對應體的發現、證認發揮重要作用。(完)