GECAM雙星計劃：探尋引力波之光

+ 演講者：熊少林（中科院高能物理研究所副研究員 / GECAM項目首席科學家）

什么是GECAM計劃？

我們與微小衛星創新研究院合作的這個項目叫“引力波暴高能電磁對應體全天監測器”，簡稱GECAM，它由兩顆微小衛星組成，因此也叫做“GECAM雙星計劃”。它的目標是探索引力波之光，即引力波事件發出的光。

雙中子星并合引發引力波，并且會發射光，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，跟雷聲幾乎同時發生的閃電就是高能X光和伽馬光，發生得非常快速，而且非常亮；雷雨后出現的彩虹就是低能光，持續時間比較長。僅憑雷聲只能粗略估計打雷的大概位置，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？因為高能光無法穿透大氣層。而雙星的設計，是為了防止地球的遮擋而形成觀測盲區。考慮到經費的約束，GECAM雙星探測計劃將用微小衛星來實現。

GECAM計劃有兩點創新：

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？科學家發明了一種材料，高能的X光或伽馬光在其上會轉換成低能的熒光，這些熒光屬于可見光。雖然產生的熒光也非常微弱，但科學家又發明了一種叫做光電倍增管的設備，能將微弱的熒光像滾雪球一樣逐級放大一百萬倍左右，變成較強信號，這樣就探測到高能光子了。

傳統的光電倍增管不適合用在微小衛星上，所以我們做了很重要的創新，采用一種新近發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。

二是將利用北斗導航衛星進行星地間的實時通信。GECAM衛星一旦獲得重大觀測結果，需要盡快通知全世界的天文學家，引導望遠鏡們對目標天體進行聯合觀測，以獲得更多的觀測結果。因此需要一個能夠進行天地實時通訊的系統，而北斗導航系統的短報文正好能滿足這樣的需要。

用微小衛星“看見”引力波

我們做了很重要的創新，采用一種新近發明的硅光電倍增器來代替傳統器件，體積大大縮小了，非常適合微小衛星搭載，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衛星參數及覆蓋天區示意圖。

回顧： 引力波探測史

· 在整整100年前，愛因斯坦根據廣義相對論預言了引力波的存在。但引力波所導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于最小細胞尺寸的百萬分之一！難怪愛因斯坦說人類可能永遠也探測不到引力波。

· 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測引力波來臨時“尺子”的形變。

引力波數據圖中（圖1），橫坐標是時間，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。當兩顆黑洞繞轉靠得很近的時候，聲音的幅度不大，頻率也比較低；當黑洞并合的時候，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，因為黑洞不發光，所以這場電影我們看不見畫面。

· 2017年8月17日，科學家們首次觀測到雙中子星合并發出的引力波，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，兩顆中子星繞轉并合也能產生引力波，而且還能產生光。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射線天文望遠鏡在內，全球約70個地面及空間望遠鏡，從紅外、X射線、紫外和射電波等波段開展觀測，確認引力波信號來自距地球約1.3億光年的長蛇座內NGC4993星系。