空間望遠鏡上新，快來了解一下吧！_風聞

天文學是一門觀測驅動的科學，天文學的重大發展往往源自於新的觀測發現。

幾千年前，人類就開始觀察宇宙星辰，探尋宇宙的奧秘：

圖1.縱目的蠶叢，長着“千里眼”的青銅面具

自伽利略發明望遠鏡觀測宇宙星空，四百多年以來，探測手段已經極大豐富，人們建造了各種類型的望遠鏡，熟知的有光學望遠鏡、射電望遠鏡等。

 圖2.大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡（LAMOST）

圖3.500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）

甚至把望遠鏡發射進入太空，比如慧眼空間x射線望遠鏡。

圖4.慧眼HXMT望遠鏡

對於能量極高的電磁波（超高能伽馬射線），望遠鏡是這樣的：

圖5.高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）

雖然這些望遠鏡看上去風馬牛不相及，但它們都有一個共同特點：觀測的都是電磁波。電磁波也就是光。光的波長不同，則能量不同，探測原理和技術手段也就各異，因此電磁波望遠鏡外形差異極大。目前，人們對宇宙和天體的絕大部分認識都來自電磁波的觀測。

圖6.電磁波能譜示意圖

然而，近年來人類探索宇宙的重大突破來自另一種波，引力波：2016年2月，激光干涉引力波天文台（LIGO）宣佈於2015年9月14日首次直接探測到兩顆黑洞併合產生的引力波信號，開闢了人類探測宇宙的新窗口，揭開了引力波天文學時代的序幕。引力波相關研究獲得了2017年諾貝爾物理學獎。

圖7.激光干涉引力波天文台（LIGO）

黑洞是宇宙中引力最強的天體。質量高達幾十上百個太陽的恆星，當壽命走向終結時，中心坍塌形成一顆黑洞。還有更大的黑洞，比如咱們銀河系中心的黑洞，質量相當於400萬個太陽。有趣的是，繼引力波之後，黑洞的相關研究獲得了2020年諾貝爾物理學獎。

圖8.電影《星際穿越》中的黑洞

就像地球圍繞太陽運行，宇宙中存在很多相互繞轉的雙黑洞系統，它們繞轉距離越來越近，最後相撞合併在一起，形成一顆質量更大的黑洞。因為黑洞的引力場極強，這個過程產生引力場的劇烈變化並向外傳播，形成引力波。

 

圖9.兩顆緻密星（黑洞或中子星）產生引力波（圖片來自網絡）

引力波跟其它波動一樣，可以用波長和頻率描述，雙緻密星併合產生的引力波頻率跟人類可聽見的聲波頻率類似，因此人們把這類引力波信號比喻為天體發出的“聲音”。如果把雙緻密星併合產生的引力波，轉換成同樣頻率的聲音，那麼極像小鳥的叫聲，因此科學家給它取名為“啁啾信號“。

圖10.引力波信號

引力波發現後，引力波電磁對應體迅速成為天文觀測研究的最前沿。顧名思義，引力波電磁對應體是指與引力波在時間和空間上成協的電磁輻射天體源，也就是由引力波波源發出的光。從觀測上來説，就是在引力波定位區域找到對應的各種電磁波段的天體源。如果把引力波比作併合天體發出的聲音，那麼電磁對應體就是併合過程的畫面，二者結合毫無疑問將產生1+1>2的效果，使人們對宇宙天體及物理規律的認知提升到一個新的維度。

圖11.尋找對應體的動圖

雖然LIGO發現的大部分引力波事件都來自雙黑洞併合，且很多理論認為雙黑洞併合過程不會發光，即不會產生電磁對應體，但是天文學的重大發現往往出乎人們的意料。事實上，從第一個引力波開始，天文學家就孜孜不倦地在電磁波的各個波段搜索引力波波源可能發出的光。

在電磁波寬廣的波譜中，x射線和伽馬射線波段在探測引力波電磁對應體中佔有特殊地位。一方面是因為雙中子星併合不僅能產生引力波，而且長期以來被認為是短伽馬暴的前身星，因此，很多人篤定短伽馬暴就是雙中子星併合引力波的電磁對應體。

 圖12.伽馬射線暴的產生過程

另一方面，在x射線和伽馬射線波段比較容易實現跟引力波探測器一樣的全天視場，這對於監測預期發生率極低的引力波電磁對應體極為關鍵。事實上，在2017年8月17日首個雙中子星併合引力波的觀測中，短伽馬暴扮演了關鍵角色。

圖13.首個雙中子星併合引力波產生短伽馬暴

由於地球大氣對伽馬射線有強烈的吸收，探測伽馬射線暴需要將觀測設備放在太空中，即空間伽馬射線望遠鏡。目前的伽馬射線望遠鏡都不是專門為引力波伽馬暴而設計，普遍具有視場、靈敏度、定位能力等方面的侷限。

針對國內外發展狀態，我們提出建造引力波暴高能電磁對應體全天監測器（Gravitational Wave High Energy Electromagnetic Counterpart All Sky Monitor, 簡稱GECAM）。GECAM專門針對引力波高能電磁對應體的探測需求而設計，採用一系列創新的技術方案，不僅具有全天視場、高靈敏度、良好定位精度、寬能段和低能閾的綜合性能優勢，而且具備即時發佈觀測警報，引導其它觀測設備進行後隨觀測的能力。

 

圖14.GECAM衞星在軌飛行

跟很多衞星不同，GECAM只有單側的太陽帆板，在建造GECAM的師傅們看來，這讓它活像一個小士兵、小飛俠。

GECAM衞星主要分為三個部分：頂部的穹頂艙，中間是載荷電子學艙，處理和存儲探測信號；下部是衞星平台，為科學探測提供各項服務。穹頂艙裝滿了探測宇宙奧秘的探測器，其中圓形探測伽馬射線，方形探測荷電粒子。（天圓地方的意味get到了嗎？）

圖15.GECAM衞星的有效載荷，頂部是半球形穹頂艙，其下面是載荷電子學艙，負責處理探測器的信號。

GECAM衞星軌道高度600公里，地球將遮擋大約1/3的天空，而引力波事件是全天隨機發生的，這意味着一顆衞星無法對全部引力波事件進行監測。為了形成全天完整監測，GECAM由兩顆相同的衞星組成，兩顆衞星運行在相同的軌道上，且時刻位於地球兩端，就像一雙眼睛時刻監測着整個天空。

圖16. GECAM雙星在軌運行示意圖，兩顆衞星就像哨兵一樣對全天進行完整監測。

GECAM於2016年3月提出項目概念，並立刻開展關鍵技術攻關，2018年7月入選中國科學院“空間科學”（二期）戰略性先導科技專項，2018年12月正式批覆立項，2019年11月完成初樣研製，2020年11月完成正樣研製，計劃2020年12月以一箭雙星發射入軌。

這是GECAM衞星的標識（logo），展示了GECAM是由兩顆微小衞星組成的星座，對全部天空的完整監測。

圖17.GECAM衞星logo

Logo上部展示了GECAM主要的觀測對象之一：宇宙中神秘的黑洞和中子星的激烈碰撞。黑洞和中子星都是引力極強的天體，它們的碰撞預期將產生強烈的引力波和伽馬射線暴發。不過迄今為止人們還沒有探測到這類神秘天體的伽馬射線暴。

圖18.GECAM雙星在軌運行想象圖

除了引力波高能電磁對應體，GECAM還將探測快速射電暴的高能輻射、特殊伽馬暴和磁星暴發等各類高能天體爆發現象，研究黑洞、中子星等緻密天體的形成與演化、雙緻密星的併合過程以及各類天體爆發的起源和輻射機制等。

圖19.伽馬射線暴

圖20.磁星

GECAM也將探測研究太陽耀斑和地球伽馬閃等日地空間的高能輻射現象。

圖21.太陽耀斑

圖22.地球伽馬閃

從地球、太陽到銀河系以及最遙遠的宇宙中將會發生怎樣驚心動魄的極端爆發現象，黑洞和中子星的強強對決會演繹出怎樣的精彩，期待GECAM給我們答案吧。

來源：中國科學院高能物理研究所