+ 演講者:熊少林(中科院高能物理研究所副研究員 / GECAM項(xiàng)目首席科學(xué)家)
我們與微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院合作的這個項(xiàng)目叫“引力波暴高能電磁對應(yīng)體全天監(jiān)測器”,簡稱GECAM,它由兩顆微小衛(wèi)星組成,因此也叫做“GECAM雙星計(jì)劃”。它的目標(biāo)是探索引力波之光,即引力波事件發(fā)出的光。
雙中子星并合引發(fā)引力波,并且會發(fā)射光,光又有高能光和低能光之分。那么引力波、高能光和低能光之間是什么關(guān)系?如果用雷陣雨打比方:打雷的聲音就是引力波,跟雷聲幾乎同時發(fā)生的閃電就是高能X光和伽馬光,發(fā)生得非??焖?,而且非常亮;雷雨后出現(xiàn)的彩虹就是低能光,持續(xù)時間比較長。僅憑雷聲只能粗略估計(jì)打雷的大概位置,而探測到閃電就能確定是哪片云打雷了。因此閃電,也就是高能光,對于研究引力波事件有重要意義。這就是我們做GECAM雙星探測計(jì)劃的初衷——探測引力波事件的高能光。
為什么非要去太空探測高能光呢?因?yàn)楦吣芄鉄o法穿透大氣層。而雙星的設(shè)計(jì),是為了防止地球的遮擋而形成觀測盲區(qū)??紤]到經(jīng)費(fèi)的約束,GECAM雙星探測計(jì)劃將用微小衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)。
一是探測器的小型化。我們知道,光子看不見摸不著,單個光子的能量也非常小。那么如何探測?科學(xué)家發(fā)明了一種材料,高能的X光或伽馬光在其上會轉(zhuǎn)換成低能的熒光,這些熒光屬于可見光。雖然產(chǎn)生的熒光也非常微弱,但科學(xué)家又發(fā)明了一種叫做光電倍增管的設(shè)備,能將微弱的熒光像滾雪球一樣逐級放大一百萬倍左右,變成較強(qiáng)信號,這樣就探測到高能光子了。
傳統(tǒng)的光電倍增管不適合用在微小衛(wèi)星上,所以我們做了很重要的創(chuàng)新,采用一種新近發(fā)明的硅光電倍增器來代替,體積大大縮小了,非常適合微小衛(wèi)星搭載,而且工作時無需電壓供電,這對于空間探測來說極為方便。
二是將利用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行星地間的實(shí)時通信。GECAM衛(wèi)星一旦獲得重大觀測結(jié)果,需要盡快通知全世界的天文學(xué)家,引導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡們對目標(biāo)天體進(jìn)行聯(lián)合觀測,以獲得更多的觀測結(jié)果。因此需要一個能夠進(jìn)行天地實(shí)時通訊的系統(tǒng),而北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文正好能滿足這樣的需要。
用微小衛(wèi)星“看見”引力波
我們做了很重要的創(chuàng)新,采用一種新近發(fā)明的硅光電倍增器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)器件,體積大大縮小了,非常適合微小衛(wèi)星搭載,而且工作時無需電壓供電,這對于空間探測來說極為方便。
圖1:LIGO監(jiān)測到的引力波信號圖,表示“尺子”隨時間的形變情況。
圖2:GECAM衛(wèi)星參數(shù)及覆蓋天區(qū)示意圖。
回顧: 引力波探測史
· 在整整100年前,愛因斯坦根據(jù)廣義相對論預(yù)言了引力波的存在。但引力波所導(dǎo)致的時空變化微乎其微,在引力波作用下,地球這個大的球體變化量僅僅相當(dāng)于最小細(xì)胞尺寸的百萬分之一!難怪愛因斯坦說人類可能永遠(yuǎn)也探測不到引力波。
· 2015年9月14日,人類首次成功探測到來自雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波。捕捉到這次引力波信號的是美國激光干涉引力波探測儀(LIGO)。形象地說,它是科學(xué)家在地面上做的一把幾公里長的“尺子”,用極為精密的激光來監(jiān)測引力波來臨時“尺子”的形變。
引力波數(shù)據(jù)圖中(圖1),橫坐標(biāo)是時間,曲線代表了信號隨著時間的變化,它看上去非常像聲音的信號。當(dāng)兩顆黑洞繞轉(zhuǎn)靠得很近的時候,聲音的幅度不大,頻率也比較低;當(dāng)黑洞并合的時候,幅度變大了,而且頻率也更快,也就是說聲音變得很尖銳;一旦兩顆黑洞并合,聲音就沒有了。這段頻率的提升,非常像小鳥的叫聲,也被稱作“啁啾(chirp)”信號。人類努力了這么多年,終于“聆聽”到了宇宙的聲音。
但是很遺憾,因?yàn)楹诙床话l(fā)光,所以這場電影我們看不見畫面。
· 2017年8月17日,科學(xué)家們首次觀測到雙中子星合并發(fā)出的引力波,人類終于看到了既有聲音又有畫面的宇宙電影!
與黑洞合并類似,兩顆中子星繞轉(zhuǎn)并合也能產(chǎn)生引力波,而且還能產(chǎn)生光。8月17日,LIGO捕捉到了這個引力波信號,隨后包括中國“慧眼”硬X射線天文望遠(yuǎn)鏡在內(nèi),全球約70個地面及空間望遠(yuǎn)鏡,從紅外、X射線、紫外和射電波等波段開展觀測,確認(rèn)引力波信號來自距地球約1.3億光年的長蛇座內(nèi)NGC4993星系。