从引力波到伽马暴探测——记在GECAM卫星发射之时

来源:中国科学院高能物理研究所、中国科学院国家空间科学中心 

编者按:2020年12月10日,我国在西昌卫星发射中心用长征十一号遥九固体运载火箭将引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。 

一、概述

说起天文,很多人并不陌生。天文是研究宇宙天体的结构、性质、运动、发展的学科。天文这门学科的存在和发展是以观测为基础的,所以说,天文学的发展取决于观测手段和观测技术的发展。

在早期没有天文观测工具的时代,人们仅凭双眼去观察星星的运行轨迹,在他们看来,日月星辰东升西落,有的星星位置恒久不变,在特定时间总会出现在特定位置,而有的星星的轨迹则与其它星星有明显不同。都是星星,但它们的存在和运行轨迹存在差异,这引起了古人的思考。

根据肉眼的观测,古人逐渐形成了朴素的宇宙观。他们试图从自己的角度对天地人之间的关系、存在方式加以解释,对宇宙自然万物的起源、发展、终结进行理解和推演。一旦遇到莫名其妙的现象,各种尝试都难以自圆其说之时,人们则习惯性地将之归结为神力。

天文学开始的标志一般认为是1609年意大利科学家伽利略使用自制望远镜观测到了天文现象,给人们打开了一个观测宇宙的窗口。在此之后的四百年间,天文望远镜技术取得长足发展,现在望远镜的观测能力早已非当初可比,除了对“光”的观测的革命性的发展,探测范围也从最初的可见光波段扩展到了射电、微波、红外、紫外、X射线、乃至伽马射线的各个电磁波段,更大的飞跃是把人类认识宇宙的媒介从一种增加到四种,这四种媒介被称为宇宙的“信使”,把来自遥远的宇宙深处的天体信息带给我们,它们是:电磁波(含可见光)、中微子、宇宙线和引力波。

作为我们最熟知的电磁波,在我们的生活当中无处不在,对我们认识大千世界、在我们的生命活动中扮演着极为重要的角色。这里不做赘述。

中微子作为属性非常“懒惰”的微观粒子,只参与弱相互作用和引力相互作用。它们视我们如无物,尽管在我们周围每立方厘米的空间里就充斥着数百个中微子,但我们根本感觉不到它们的存在。中微子携带的信息往往与高能物理过程和核过程有关,比如,核反应堆可以产生大量中微子。

宇宙线是指来自宇宙的高能粒子流,这些粒子流携带了大量的射电星系、中子星、类星体等天体活动的物理信息。当这些高能粒子流入射到地球大气,可以在大气中产生级联簇射,产生大量的次级高能粒子。随着簇射在大气当中的发展,其形状呈先逐渐增大后逐渐缩小的趋势。宇宙线观测站往往建在数千米高的地方,以探测簇射形状发展最大的状态。

引力波是近几年才发现的“新信使”,它的信号极其微弱,所以很难被探测到。直到人类在探测技术上有了突破才让我们能有机会一睹引力波的芳容,2015年9月14日LIGO(激光干涉引力波天文台)探测到第一个引力波信号。

随着观测手段的开拓和观测技术的提升,越来越多的天体信息被获取,这也使得天文学理论得到了长足发展。事实上,天文观测与天文学理论之间不仅仅是现象与解释的关系,作为一个能够被广泛认可的理论,它除了可以解释观测中的现象,还有一个最为基本的要素是它曾经被预言过。科学发展史上,很多重要的发现都是源自理论预言所指引的方向,最为典型的就是爱因斯坦早在100年前就预言了引力波的存在,经过100年的探索,引力波才最终被发现。

如果说伽利略为人类观测宇宙打开了一个窗口,那么引力波的发现,尤其是2017年8月1日,人类首次直接探测到来自双中子星合并的引力波,并同时“看到其发出的电磁信号,则开启了一个新的天文学时代:多信使引力波天文学时代。

二、引力波暴与伽马射线暴

“两颗中子星相互绕转,随着时间的推移,二者越来越近,绕转速度也随之加快,相伴随的引力波发射频率也越来越高,强度也逐渐增强。到了某一瞬间,两颗星体碰撞到一起,伴随而来的,是迄今发现的宇宙间最强的爆炸,迸发出耀眼的光芒和强烈的伽马射线辐射,随后,辐射出的引力波强度也达到顶峰。伽马射线暴和引力波暴以光速向四外扩散开去。较之于爆发时标只有秒到千秒量级,继之而来的,是持续时间更长的X射线、光学和射电波段的余辉。X射线余辉能够持续几个星期,光学和射电波段的余辉的持续时间可长达数月乃至数年。随着时间的推移,余辉的强度一般以幂指数衰减。”——这是人类引力波天文学发展伊始的今天,观测和理论对双中子星并合事件过程的基本描述。

引力波的概念源自广义相对论的预言,是指弯曲时空当中的涟漪。根据理论估计,可能的可被现有技术探测的引力波源包括白矮星、中子星、黑洞等致密天体的相互作用。这里所说的致密天体是体积小而密度大的天体,白矮星的质量在0.3-1.2个太阳质量,其半径只有地球大小,则它的平均密度是太阳平均密度的10万倍以上。中子星和黑洞的密度更大,例如,质量比太阳大一倍的中子星,它的直径只有十几公里。当两个致密天体发生并合的时候,会辐射出较为可观的引力波,这些引力波来自两个致密天体并合过程中损失的质量。引力波可以几乎不受阻挡地穿过行进途中的天体,这使引力波可以携带有更多的之前从未被观测过的天文信息。

伽马射线暴是宇宙大爆炸之后宇宙中最强的爆发现象,在很短时间内释放出巨大能量。这种射线暴是恒星在燃烧殆尽时塌缩爆炸或者两颗邻近的致密星体(黑洞或中子星)合并而产生的。伽马射线暴的持续时间从千分之一秒到数小时,它在几分钟内释放的能量相当于万亿年太阳光的总和,所发射的单个光子能量通常是典型太阳光的几十万倍,所以能照亮几乎整个宇宙。

从上面的表述我们可以看出,引力波与伽马射线暴在一些情况下(双致密天体并合事件)是相伴而生的。对于这类伴随了伽马射线暴的引力波事件,如果能综合利用各种观测手段对其进行观测,对研究其内在的物理规律是非常重要的。

前面已经谈到,引力波因其信号非常微弱,探测难度非常大,以至于从预言到实际探测到,天文学家们花了整整一百年!即使现在技术手段使我们能够一睹引力波的“芳容”,但受限于观测条件,对引力波的定位精度很差。目前地面引力波探测器的典型定位精度是几十到上百平方度,这使得其它波段望远镜的后随观测受到了极大影响,即使再对引力波事件发生的距离进行一定程度的限制,在这么大范围内寻找与之对应的电磁信号源,对于以角分乃至角秒精度开展观测的望远镜来说也无异于大海捞针,其中很重要的观测时机往往是在距离引力波事件发生的短短几秒之内。

既然引力波和伽马暴对于双致密天体并合事件来说几乎是同时发生的,对引力波定位不准,我们不妨换个思路,对与引力波同源的伽马暴进行精度较高的定位,这样既能为研究引力波暴发生过程中相伴随的强引力场、强磁场等特殊环境下的高能辐射过程提供第一手观测数据,又能有效引导射电、光学等望远镜对其进行后随观测。在这个背景之下,GECAM卫星被中科院高能物理研究所的科学家团队提出,在中科院空间科学先导专项(二期)的支持下,卫星很快立项。GECAM卫星平台由中科院微小卫星创新研究院抓总研制,卫星有效载荷(即科学探测仪器)由中科院高能物理研究所设计研制。

三、GECAM卫星

GECAM卫星是一对双子星,从外表看几乎区分不开。它们的个子不高,像两个八九岁的小孩子,不过每颗星的体重却差不多相当于两个成年男性的体重。卫星有效载荷采用了创新的探测技术,应用目前探测X/伽马射线综合性能最好的新型闪烁晶体——溴化镧,给卫星打造了最为敏锐的“眼睛”,眼睛后面匹配了新型半导体光电转换器件硅光电倍增管做成的“视网膜”,再加上先进的信号处理技术,可以把进入“眼睛”的伽马射线信息逐个收集起来。

从原理上来看,使用闪烁晶体进行X/伽马射线探测与人们通常的光学探测有着很大不同。当高能射线入射到闪烁晶体,可以与晶体材料发生相互作用,损失能量并将能量转化成荧光光子,一定能量范围内,荧光光子数与损失沉积的能量成正比。人们熟悉的极光也是来自于同样的物理过程,极光是大量的空间高能带电粒子落入到地球大气,并与大气成分相互作用所产生。将闪烁晶体中产生的荧光收集起来,汇聚到光电敏感器件上,可以通过光电敏感器件转化成电信号,电信号再经过倍增放大等一系列过程,形成数字信号之后就能形成科学数据了,这里的科学数据一般是指电子学道数,数据分析之前,还需要将之重建成能量。

前面说到,荧光光子数与损失沉积的能量存在一定对应关系,那么当入射射线的能量全部沉积到晶体当中,经过收集和信号处理之后的电子学道数就与入射射线的能量存在类似的对应关系。经过探测器和电子学设计,这种对应关系在探测器的探测灵敏能区内一般是线性关系。探测器做出来之后,通过若干已知能量的射线源将其标定,所标定的结果就表征了电子学道数就与入射射线能量的关系,用于重建能量。我们花了大约半年的时间,利用标定束线、标准放射源等对GECAM卫星的所有装机探测器和备份探测器进行了标定。

得益于对“眼睛”的优化设计,它覆盖了很宽的能量范围,能够把从软X射线到数兆电子伏的伽马射线尽收眼底。每颗卫星上安装有25个这样的“眼睛”,朝向四面八方。

两颗卫星与地球三点一线,背对背地以圆轨道在轨飞行,解决了地球遮挡的问题,使得它们拥有了全天视场,能够随时捕捉任何方向上的伽马射线暴。同时,卫星上还设计了8个用于鉴别空间荷电粒子暴的荷电粒子探测器,这种探测器因其灵敏材料只对荷电粒子敏感,而对X射线和伽马射线不敏感,利用其这一性质可以十分有效地排除荷电粒子的干扰。

除了让任何方向上来的伽马射线暴都无所遁形的锐利眼睛,卫星有效载荷还被赋予了非常聪明的“大脑”。利用这个大脑,在看到和识别出伽马射线暴后,立刻就能计算出伽马射线暴的强度和发生的方位。而且,卫星工程团队敢做第一个吃螃蟹的人,打通了天地准实时通讯链路,这就好比习武者打通了任督二脉,通过这个天地准实时通讯链路,可以让两颗卫星捕捉到的伽马射线暴信息很快就下传到地面,从而把伽马暴信息及时发布出去,让世界上更多的探测器和望远镜能够进行后随观测,对引力波伽马暴事件做多波段观测,获取更多的信息。

单纯从探测引力波伽马暴的能力来说,GECAM卫星具有能量探测范围宽(尤其是能量下阈低,可测物理信息十分丰富的软X射线能段)、灵敏度高、定位精度好,能够进行全时全天探测,可以将暴发信息准实时下传,并引导后随观测等特点。

此外,GECAM卫星的能力远不止探测引力波伽马射线暴。它们还能探测磁星爆发、快速射电暴的高能辐射等来自宇宙深处的高能天体暴发现象,还能探测太阳X射线耀斑、地磁暴、地球伽马闪等地球附近的高能辐射过程。

后记:

从古至今,人类探索宇宙的脚步和对宇宙的本初、人类的本源等问题的思考从未停歇,但可以肯定的是:引力波和伽马暴是客观存在的。

面向引力波天文学研究前沿和前所未有的机遇,GECAM卫星作为我国自主提出和研制的天文卫星,立项和研制周期加起来只有四年多时间,虽然研制时间短,又赶上新冠疫情,但在卫星研制团队的努力下,按期按质按量地完成了研制工作,卫星的各方面指标全面好于设计指标要求。我相信这两颗卫星一定能够在人类认识宇宙的道路上闪耀出属于自己的光辉。

不论怎样,我们可以利用天文卫星去领略这宏伟绚丽的焰火是值得庆幸的一件事。以我们有限的知识,有限的观测手段,去观测、探索并尝试认识宇宙深处的壮美事件,用诗歌去咏颂它、赞美它,这样或许就足够了——这或许就是人类存在的真谛。

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