伽马 从引力波到伽马暴探测——记在GECAM卫星发射之时
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。
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伽利略和他发明的望远镜（图片来自网络）
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。
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各不同波段的波长与频率的对应关系（左）及白光色散光谱（右）
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。
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爱因斯坦与引力波（图片来自网络）
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。
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