一、概述

說起天文,很多人並不陌生。天文是研究宇宙天體的結構、性質、運動、發展的學科。天文這門學科的存在和發展是以觀測為基礎的,所以說,天文學的發展取決於觀測手段和觀測技術的發展。

在早期沒有天文觀測工具的時代,人們僅憑雙眼去觀察星星的運行軌跡,在他們看來,日月星辰東升西落,有的星星位置恒久不變,在特定時間總會出現在特定位置,而有的星星的軌跡則與其它星星有明顯不同。都是星星,但它們的存在和運行軌跡存在差異,這引起瞭古人的思考。

根據肉眼的觀測,古人逐漸形成瞭樸素的宇宙觀。他們試圖從自己的角度對天地人之間的關系、存在方式加以解釋,對宇宙自然萬物的起源、發展、終結進行理解和推演。一旦遇到莫名其妙的現象,各種嘗試都難以自圓其說之時,人們則習慣性地將之歸結為神力。

 伽利略和他發明的望遠鏡(圖片來自網絡)

 伽利略和他發明的望遠鏡(圖片來自網絡)

天文學開始的標志一般認為是1609年意大利科學傢伽利略使用自制望遠鏡觀測到瞭天文現象,給人們打開瞭一個觀測宇宙的窗口。在此之後的四百年間,天文望遠鏡技術取得長足發展,現在望遠鏡的觀測能力早已非當初可比,除瞭對“光”的觀測的革命性的發展,探測范圍也從最初的可見光波段擴展到瞭射電、微波、紅外、紫外、X射線、乃至伽馬射線的各個電磁波段,更大的飛躍是把人類認識宇宙的媒介從一種增加到四種,這四種媒介被稱為宇宙的“信使”,把來自遙遠的宇宙深處的天體信息帶給我們,它們是:電磁波(含可見光)、中微子、宇宙線和引力波。

各不同波段的波長與頻率的對應關系(左)及白光色散光譜(右)

各不同波段的波長與頻率的對應關系(左)及白光色散光譜(右)

作為我們最熟知的電磁波,在我們的生活當中無處不在,對我們認識大千世界、在我們的生命活動中扮演著極為重要的角色。這裡不做贅述。

中微子作為屬性非常“懶惰”的微觀粒子,隻參與弱相互作用和引力相互作用。它們視我們如無物,盡管在我們周圍每立方厘米的空間裡就充斥著數百個中微子,但我們根本感覺不到它們的存在。中微子攜帶的信息往往與高能物理過程和核過程有關,比如,核反應堆可以產生大量中微子。

宇宙線是指來自宇宙的高能粒子流,這些粒子流攜帶瞭大量的射電星系、中子星、類星體等天體活動的物理信息。當這些高能粒子流入射到地球大氣,可以在大氣中產生級聯簇射,產生大量的次級高能粒子。隨著簇射在大氣當中的發展,其形狀呈先逐漸增大後逐漸縮小的趨勢。宇宙線觀測站往往建在數千米高的地方,以探測簇射形狀發展最大的狀態。

引力波是近幾年才發現的“新信使”,它的信號極其微弱,所以很難被探測到。直到人類在探測技術上有瞭突破才讓我們能有機會一睹引力波的芳容,2015年9月14日LIGO(激光幹涉引力波天文臺)探測到第一個引力波信號。

愛因斯坦與引力波(圖片來自網絡)

愛因斯坦與引力波(圖片來自網絡)

隨著觀測手段的開拓和觀測技術的提升,越來越多的天體信息被獲取,這也使得天文學理論得到瞭長足發展。事實上,天文觀測與天文學理論之間不僅僅是現象與解釋的關系,作為一個能夠被廣泛認可的理論,它除瞭可以解釋觀測中的現象,還有一個最為基本的要素是它曾經被預言過。科學發展史上,很多重要的發現都是源自理論預言所指引的方向,最為典型的就是愛因斯坦早在100年前就預言瞭引力波的存在,經過100年的探索,引力波才最終被發現。

如果說伽利略為人類觀測宇宙打開瞭一個窗口,那麼引力波的發現,尤其是2017年8月1日,人類首次直接探測到來自雙中子星合並的引力波,並同時“看到其發出的電磁信號,則開啟瞭一個新的天文學時代:多信使引力波天文學時代。

二、引力波暴與伽馬射線暴

“兩顆中子星相互繞轉,隨著時間的推移,二者越來越近,繞轉速度也隨之加快,相伴隨的引力波發射頻率也越來越高,強度也逐漸增強。到瞭某一瞬間,兩顆星體碰撞到一起,伴隨而來的,是迄今發現的宇宙間最強的爆炸,迸發出耀眼的光芒和強烈的伽馬射線輻射,隨後,輻射出的引力波強度也達到頂峰。伽馬射線暴和引力波暴以光速向四外擴散開去。較之於爆發時標隻有秒到千秒量級,繼之而來的,是持續時間更長的X射線、光學和射電波段的餘輝。X射線餘輝能夠持續幾個星期,光學和射電波段的餘輝的持續時間可長達數月乃至數年。隨著時間的推移,餘輝的強度一般以冪指數衰減。”——這是人類引力波天文學發展伊始的今天,觀測和理論對雙中子星並合事件過程的基本描述。

引力波的概念源自廣義相對論的預言,是指彎曲時空當中的漣漪。根據理論估計,可能的可被現有技術探測的引力波源包括白矮星、中子星、黑洞等致密天體的相互作用。這裡所說的致密天體是體積小而密度大的天體,白矮星的質量在0.3-1.2個太陽質量,其半徑隻有地球大小,則它的平均密度是太陽平均密度的10萬倍以上。中子星和黑洞的密度更大,例如,質量比太陽大一倍的中子星,它的直徑隻有十幾公裡。當兩個致密天體發生並合的時候,會輻射出較為可觀的引力波,這些引力波來自兩個致密天體並合過程中損失的質量。引力波可以幾乎不受阻擋地穿過行進途中的天體,這使引力波可以攜帶有更多的之前從未被觀測過的天文信息。

伽馬射線暴是宇宙大爆炸之後宇宙中最強的爆發現象,在很短時間內釋放出巨大能量。這種射線暴是恒星在燃燒殆盡時塌縮爆炸或者兩顆鄰近的致密星體(黑洞或中子星)合並而產生的。伽馬射線暴的持續時間從千分之一秒到數小時,它在幾分鐘內釋放的能量相當於萬億年太陽光的總和,所發射的單個光子能量通常是典型太陽光的幾十萬倍,所以能照亮幾乎整個宇宙。

從上面的表述我們可以看出,引力波與伽馬射線暴在一些情況下(雙致密天體並合事件)是相伴而生的。對於這類伴隨瞭伽馬射線暴的引力波事件,如果能綜合利用各種觀測手段對其進行觀測,對研究其內在的物理規律是非常重要的。

前面已經談到,引力波因其信號非常微弱,探測難度非常大,以至於從預言到實際探測到,天文學傢們花瞭整整一百年!即使現在技術手段使我們能夠一睹引力波的“芳容”,但受限於觀測條件,對引力波的定位精度很差。目前地面引力波探測器的典型定位精度是幾十到上百平方度,這使得其它波段望遠鏡的後隨觀測受到瞭極大影響,即使再對引力波事件發生的距離進行一定程度的限制,在這麼大范圍內尋找與之對應的電磁信號源,對於以角分乃至角秒精度開展觀測的望遠鏡來說也無異於大海撈針,其中很重要的觀測時機往往是在距離引力波事件發生的短短幾秒之內。

既然引力波和伽馬暴對於雙致密天體並合事件來說幾乎是同時發生的,對引力波定位不準,我們不妨換個思路,對與引力波同源的伽馬暴進行精度較高的定位,這樣既能為研究引力波暴發生過程中相伴隨的強引力場、強磁場等特殊環境下的高能輻射過程提供第一手觀測數據,又能有效引導射電、光學等望遠鏡對其進行後隨觀測。在這個背景之下,GECAM衛星被中科院高能物理研究所的科學傢團隊提出,在中科院空間科學先導專項(二期)的支持下,衛星很快立項。GECAM衛星平臺由中科院微小衛星創新研究院抓總研制,衛星有效載荷(即科學探測儀器)由中科院高能物理研究所設計研制。

三、GECAM衛星

GECAM衛星是一對雙子星,從外表看幾乎區分不開。它們的個子不高,像兩個八九歲的小孩子,不過每顆星的體重卻差不多相當於兩個成年男性的體重。衛星有效載荷采用瞭創新的探測技術,應用目前探測X/伽馬射線綜合性能最好的新型閃爍晶體——溴化鑭,給衛星打造瞭最為敏銳的“眼睛”,眼睛後面匹配瞭新型半導體光電轉換器件矽光電倍增管做成的“視網膜”,再加上先進的信號處理技術,可以把進入“眼睛”的伽馬射線信息逐個收集起來。

GECAM衛星的“眼睛”  左:爆炸圖,右:背面(石英窗)

GECAM衛星的“眼睛”  左:爆炸圖,右:背面(石英窗)

從原理上來看,使用閃爍晶體進行X/伽馬射線探測與人們通常的光學探測有著很大不同。當高能射線入射到閃爍晶體,可以與晶體材料發生相互作用,損失能量並將能量轉化成熒光光子,一定能量范圍內,熒光光子數與損失沉積的能量成正比。人們熟悉的極光也是來自於同樣的物理過程,極光是大量的空間高能帶電粒子落入到地球大氣,並與大氣成分相互作用所產生。將閃爍晶體中產生的熒光收集起來,匯聚到光電敏感器件上,可以通過光電敏感器件轉化成電信號,電信號再經過倍增放大等一系列過程,形成數字信號之後就能形成科學數據瞭,這裡的科學數據一般是指電子學道數,數據分析之前,還需要將之重建成能量。

前面說到,熒光光子數與損失沉積的能量存在一定對應關系,那麼當入射射線的能量全部沉積到晶體當中,經過收集和信號處理之後的電子學道數就與入射射線的能量存在類似的對應關系。經過探測器和電子學設計,這種對應關系在探測器的探測靈敏能區內一般是線性關系。探測器做出來之後,通過若幹已知能量的射線源將其標定,所標定的結果就表征瞭電子學道數就與入射射線能量的關系,用於重建能量。我們花瞭大約半年的時間,利用標定束線、標準放射源等對GECAM衛星的所有裝機探測器和備份探測器進行瞭標定。

得益於對“眼睛”的優化設計,它覆蓋瞭很寬的能量范圍,能夠把從軟X射線到數兆電子伏的伽馬射線盡收眼底。每顆衛星上安裝有25個這樣的“眼睛”,朝向四面八方。

閃爍晶體受高能輻射照射發出熒光(左);極光(右)

閃爍晶體受高能輻射照射發出熒光(左);極光(右)

兩顆衛星與地球三點一線,背對背地以圓軌道在軌飛行,解決瞭地球遮擋的問題,使得它們擁有瞭全天視場,能夠隨時捕捉任何方向上的伽馬射線暴。同時,衛星上還設計瞭8個用於鑒別空間荷電粒子暴的荷電粒子探測器,這種探測器因其靈敏材料隻對荷電粒子敏感,而對X射線和伽馬射線不敏感,利用其這一性質可以十分有效地排除荷電粒子的幹擾。

除瞭讓任何方向上來的伽馬射線暴都無所遁形的銳利眼睛,衛星有效載荷還被賦予瞭非常聰明的“大腦”。利用這個大腦,在看到和識別出伽馬射線暴後,立刻就能計算出伽馬射線暴的強度和發生的方位。而且,衛星工程團隊敢做第一個吃螃蟹的人,打通瞭天地準實時通訊鏈路,這就好比習武者打通瞭任督二脈,通過這個天地準實時通訊鏈路,可以讓兩顆衛星捕捉到的伽馬射線暴信息很快就下傳到地面,從而把伽馬暴信息及時發佈出去,讓世界上更多的探測器和望遠鏡能夠進行後隨觀測,對引力波伽馬暴事件做多波段觀測,獲取更多的信息。

單純從探測引力波伽馬暴的能力來說,GECAM衛星具有能量探測范圍寬(尤其是能量下閾低,可測物理信息十分豐富的軟X射線能段)、靈敏度高、定位精度好,能夠進行全時全天探測,可以將暴發信息準實時下傳,並引導後隨觀測等特點。

此外,GECAM衛星的能力遠不止探測引力波伽馬射線暴。它們還能探測磁星爆發、快速射電暴的高能輻射等來自宇宙深處的高能天體暴發現象,還能探測太陽X射線耀斑、地磁暴、地球伽馬閃等地球附近的高能輻射過程。

後記:

從古至今,人類探索宇宙的腳步和對宇宙的本初、人類的本源等問題的思考從未停歇,但可以肯定的是:引力波和伽馬暴是客觀存在的。

面向引力波天文學研究前沿和前所未有的機遇,GECAM衛星作為我國自主提出和研制的天文衛星,立項和研制周期加起來隻有四年多時間,雖然研制時間短,又趕上新冠疫情,但在衛星研制團隊的努力下,按期按質按量地完成瞭研制工作,衛星的各方面指標全面好於設計指標要求。我相信這兩顆衛星一定能夠在人類認識宇宙的道路上閃耀出屬於自己的光輝。

不論怎樣,我們可以利用天文衛星去領略這宏偉絢麗的焰火是值得慶幸的一件事。以我們有限的知識,有限的觀測手段,去觀測、探索並嘗試認識宇宙深處的壯美事件,用詩歌去詠頌它、贊美它,這樣或許就足夠瞭——這或許就是人類存在的真諦。

來源:中國科學院高能物理研究所、中國科學院國傢空間科學中心

Source: m.cnbeta.com