“孪生兄妹”上天 如何捕捉引力波之光？

12月10日4时14分，我国在西昌卫星发射中心使用长征十一号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（Gravitational wave high-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor，简称GECAM）发射升空，两颗卫星成功进入预定轨道，这是我国首次发射全天监测引力波电磁对应体的卫星。

这一对“孪生兄妹”要怎么“抓住”引力波的蛛丝马迹？

要想全面理解引力波找到光至关重要

大家通常所说的引力波实际上就是指的引力波暴。引力波暴是指两颗致密星（两颗黑洞、两颗中子星或一颗黑洞和一颗中子星）并合产生的引力波，它是一种高频引力波，频率一般是从几十到一千赫兹，也是目前为止唯一探测到的引力波。

2016年2月，激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布人类于2015年9月14日首次探测到两颗黑洞并合产生的引力波，开启了“聆听宇宙”的引力波天文学时代！然后双黑洞并合一般认为不能产生电磁对应体，也就是不发光，人类看不见它。直到2017年8月17日，LIGO和室女座引力波天文台（Virgo）宣布人类首次探测到了双中子星并合引力波事件，全球的很多望远镜首次观测到了产生引力波天体发出的光，也就是引力波电磁对应体，它提供了全面理解引力波天体爆发过程、研究一系列基本物理规律的关键信息。

X射线和伽马射线能段的电磁波因为能量较高，因此这个波段的电磁对应体被成为引力波高能电磁对应体。它们在双致密星并合之后往往最先出现，探测它们可以为其他波段进行后随观测提供目标位置等重要信息；同时，引力波事件的高能辐射转瞬即逝、难以捕捉，蕴含引力波源的重要信息，对其进行高灵敏度的全天监测显得尤为重要。

“孪生兄妹”：小极和小目

为了捕捉转瞬即逝的引力波高能电磁对应体，抓住引力波天文学时代的重要研究机遇，中科院高能所于2016年3月提出了引力波暴高能电磁对应体全天监测器项目概念，简称GECAM。GECAM任务包含两颗微小卫星，每颗GECAM卫星重量~160公斤，由有效载荷（也就是科学仪器）和卫星平台组成。

GECAM由两颗完全相同的微小卫星组成，就如孪生兄妹一样，科学家团队给这两颗小卫星起了可爱的昵称，叫小极和小目。它们分布于地球两侧形成两“极”之势，犹如二“目”，将对黑洞、中子星等极端天体的剧烈爆发现象进行观测，“极目”也是GECAM英文的谐音。

小极和小目入轨后分别时的场景

小极和小目在轨运行场景

GECAM卫星轨道高度600公里，倾角29度。两颗卫星运行于相同轨道面内，且轨道相位相差180°。每颗GECAM卫星可监测除了地球遮挡之外的全部天区，两颗卫星联合可形成对全天完整监测。所以对于转瞬即逝的引力波高能电磁对应体，GECAM卫星也能毫不费力地捕捉到，而且能利用新型实时下传系统，引导各类观测设备进行后随观测。

GECAM双星视场示意图

GECAM卫星在监测天区范围、能区覆盖、探测灵敏度和定位精度等指标方面相对于国际上其他卫星具有显著的综合优势，预期将发现最大样本的引力波伽马暴和新型引力波电磁对应体，探索河外快速射电暴的产生原因，发现一批特殊伽马暴，监测一批磁星的完整爆发过程，推动破解黑洞、中子星等致密天体的形成和演化，以及双致密星并合之谜。此外，GECAM还将观测快速射电暴高能辐射、高能中微子伴随的高能辐射并探测其它类型的伽马射线暴、磁星爆发、太阳耀斑和地球伽马闪等，进一步研究其物理机制。

GECAM卫星在轨运行艺术图

GECAM背后的故事……

GECAM卫星于2018年底正式批复立项；自立项批复至发射仅两年时间，研制周期短，任务重、难度大；卫星载荷研制团队年轻平均年龄35岁，但工程经验丰富。

在原本紧张而有限的研制时间里，2020年春节后遇上了突发的新冠疫情，载荷研制人员赴异地测试需隔离、外协单位生产受严重影响、无法面对面开协调会议……无疑给团队制造了空前的困难，打乱了原本紧张有序的工作节奏。但是，作为中科院粒子天体物理重点实验室的重要项目，实验室加派了各方人手，大家一起忘我的工作，克服了载荷研制和疫情带来的重重困难，团结一致，加班加点，几乎没有休过周末和假期，终于不负众望按照技术指标和计划进度圆满完成了任务。

结语

过去几年，暗物质粒子探测卫星“悟空”、实践十号返回式科学实验卫星、量子科学实验卫星“墨子”、硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”……这些中科院空间科学先导专项的首批卫星不断给世界带来大新闻。

今天发射的GECAM是第二批中科院空间科学先导专项的首颗科学卫星，之后还计划发射数颗卫星，期待它们从太空给我们带回更多惊喜！

（作者单位：中国科学院高能物理研究所。原标题“孪生兄妹”上天 捕捉引力波之光）

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