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轨运行艺术 “极目”双星练就“火眼金睛”：全天候监测宇宙引力波之光

轨运行艺术 “极目”双星练就“火眼金睛”：全天候监测宇宙引力波之光
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中新网北京12月10日电 (采访人员 孙自法)中国“引力波暴高能电磁对应体全天监测器(英文简称GECAM)”昵称“极目”的两颗空间科学卫星10日凌晨成功发射，这是中国首次发射全天监测引力波电磁对应体的卫星。
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“极目”双星太空在轨运行艺术想象图。中科院GECAM项目团队供图中国为何要研制“极目”双星？这对被科研人员誉为“孪生兄妹”的空间科学卫星有哪些个性特点？它们将怎样监测、捕捉宇宙中稍纵即逝的引力波之光？中国科学院高能物理研究所的GECAM科学应用系统副总师郑世界和GECAM卫星系统载荷总师李新乔就此进行科普解读。
轨运行艺术 “极目”双星练就“火眼金睛”：全天候监测宇宙引力波之光
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“极目”双星太空在轨运行艺术想象图。中科院GECAM项目团队供图探寻宇宙神秘的波动之光
顾名思义，引力波就是引力引起的时空波动，实际上引力波通常指引力波暴，它是指两颗致密星体(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，频率一般从几十到一千赫兹，也是目前为止人类唯一探测到的引力波。
通常情况下引力波极其微弱，即便是来自两个致密天体猛烈碰撞产生的引力波，传播到地球的信号也十分微弱，对探测仪器的灵敏度要求非常高。
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“极目”双星太空在轨运行艺术想象图。中科院GECAM项目团队供图2015年9月，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)观测到第一个引力波信号，从而打开引力波天文观测的窗口。2017年10月，LIGO和欧洲室女座引力波天文台(Virgo)宣布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，标志着多信使引力波天文学时代的到来。
李新乔指出，人类现在虽然已经有能力探测到引力波信号，但受限于地面探测器网络空间定位能力的极限，其中很重要的观测时机往往在距离引力波事件发生的短短几秒之内。因此，后随观测亟需有一台能够及时以较高精度给出引力波暴发生方向的卫星，GECAM项目正是在这种背景下应运而生，其“极目”双星可对和引力波暴几乎同时发生的同源伽马暴的能谱与光变进行连续高精度观测，研究高密度、强引力场、强磁场等极端条件下的高能辐射过程，并且可给出比地面引力波设备精度高出一个量级以上的引力波事件的方向定位信息。
郑世界表示，为抓住宇宙中稍纵即逝的引力波信号，需要天地间多个设备间紧密合作。GECAM就是为抓住当前引力波天文研究的重要机遇而提出的、专门探测引力波暴高能电磁对应体的小型空间高能望远镜项目。
“极目”双星主要观测目标包括双致密星并合引力波产生的高能辐射、伽马暴、磁星暴发及快速射电暴等宇宙中剧烈的暴发现象，这些暴发现象在宇宙空间随机随时出现，且持续的时间非常短，通常是分钟、秒乃至毫秒量级内出现。
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“极目”双星太空在轨运行艺术想象图。中科院GECAM项目团队供图“火眼金睛”助力全天候监测
“极目”空间科学卫星由两颗完全相同的微小卫星组成，如同“孪生兄妹”一般，科研团队称之为“小极”和“小目”，它们将怎样“抓住”引力波的蛛丝马迹？
李新乔介绍说，“极目”双星的“眼睛”是用来观看X射线、伽马射线以及高能带电粒子，经过科研人员的精雕细琢，“小极”“小目”都练就了看得宽、看得远、看得清的“火眼金睛”。
其中，“极目”双星每个伽马射线探测器都由64个均匀排布的硅光电倍增器(SiPM)构成它的“视网膜”，伽马射线探测器的核心是溴化镧晶体，虽然其探测原理同常规闪烁探测器一样，但这种新型晶体是目前为止量产晶体当中性能最好的闪烁晶体。
为实现对全天区伽马暴的实时连续观测，GECAM采取“极目”双星联合方式，两颗全同的“小极”“小目”在轨飞行时均背向地球，并和地心始终保持三点一线，每颗卫星的视场可覆盖除地球遮挡视场之外的所有天区，从而互补实现全时全天的视场覆盖。
与此同时，“极目”双星还选择相对较小的29度倾角、约600千米高的圆轨道，这样可以较好避开地球辐射带背景信号过高的区域，加之卫星载荷探测器自身产生的背景信号也保持在较低水平，以及单颗卫星探测器的总探测面积超过1000平方厘米，既能保证对弱天体源的光子信号的收集和探测能力，也将成为几年之内在轨运行的探测伽马暴的灵敏度最高的天文卫星。

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