GECAM双星计划：探寻引力波之光

+ 演讲者：熊少林（中科院高能物理研究所副研究员 / GECAM项目首席科学家）

什么是GECAM计划？

我们与微小卫星创新研究院合作的这个项目叫“引力波暴高能电磁对应体全天监测器”，简称GECAM，它由两颗微小卫星组成，因此也叫做“GECAM双星计划”。它的目标是探索引力波之光，即引力波事件发出的光。

双中子星并合引发引力波，并且会发射光，光又有高能光和低能光之分。那么引力波、高能光和低能光之间是什么关系？如果用雷阵雨打比方：打雷的声音就是引力波，跟雷声几乎同时发生的闪电就是高能X光和伽马光，发生得非常快速，而且非常亮；雷雨后出现的彩虹就是低能光，持续时间比较长。仅凭雷声只能粗略估计打雷的大概位置，而探测到闪电就能确定是哪片云打雷了。因此闪电，也就是高能光，对于研究引力波事件有重要意义。这就是我们做GECAM双星探测计划的初衷——探测引力波事件的高能光。

为什么非要去太空探测高能光呢？因为高能光无法穿透大气层。而双星的设计，是为了防止地球的遮挡而形成观测盲区。考虑到经费的约束，GECAM双星探测计划将用微小卫星来实现。

GECAM计划有两点创新：

一是探测器的小型化。我们知道，光子看不见摸不着，单个光子的能量也非常小。那么如何探测？科学家发明了一种材料，高能的X光或伽马光在其上会转换成低能的荧光，这些荧光属于可见光。虽然产生的荧光也非常微弱，但科学家又发明了一种叫做光电倍增管的设备，能将微弱的荧光像滚雪球一样逐级放大一百万倍左右，变成较强信号，这样就探测到高能光子了。

传统的光电倍增管不适合用在微小卫星上，所以我们做了很重要的创新，采用一种新近发明的硅光电倍增器来代替，体积大大缩小了，非常适合微小卫星搭载，而且工作时无需电压供电，这对于空间探测来说极为方便。

二是将利用北斗导航卫星进行星地间的实时通信。GECAM卫星一旦获得重大观测结果，需要尽快通知全世界的天文学家，引导望远镜们对目标天体进行联合观测，以获得更多的观测结果。因此需要一个能够进行天地实时通讯的系统，而北斗导航系统的短报文正好能满足这样的需要。

用微小卫星“看见”引力波

我们做了很重要的创新，采用一种新近发明的硅光电倍增器来代替传统器件，体积大大缩小了，非常适合微小卫星搭载，而且工作时无需电压供电，这对于空间探测来说极为方便。

图1：LIGO监测到的引力波信号图，表示“尺子”随时间的形变情况。

图2：GECAM卫星参数及覆盖天区示意图。

回顾： 引力波探测史

· 在整整100年前，爱因斯坦根据广义相对论预言了引力波的存在。但引力波所导致的时空变化微乎其微，在引力波作用下，地球这个大的球体变化量仅仅相当于最小细胞尺寸的百万分之一！难怪爱因斯坦说人类可能永远也探测不到引力波。

· 2015年9月14日，人类首次成功探测到来自双黑洞合并产生的引力波。捕捉到这次引力波信号的是美国激光干涉引力波探测仪（LIGO）。形象地说，它是科学家在地面上做的一把几公里长的“尺子”，用极为精密的激光来监测引力波来临时“尺子”的形变。

引力波数据图中（图1），横坐标是时间，曲线代表了信号随着时间的变化，它看上去非常像声音的信号。当两颗黑洞绕转靠得很近的时候，声音的幅度不大，频率也比较低；当黑洞并合的时候，幅度变大了，而且频率也更快，也就是说声音变得很尖锐；一旦两颗黑洞并合，声音就没有了。这段频率的提升，非常像小鸟的叫声，也被称作“啁啾（chirp）”信号。人类努力了这么多年，终于“聆听”到了宇宙的声音。

但是很遗憾，因为黑洞不发光，所以这场电影我们看不见画面。

· 2017年8月17日，科学家们首次观测到双中子星合并发出的引力波，人类终于看到了既有声音又有画面的宇宙电影！

与黑洞合并类似，两颗中子星绕转并合也能产生引力波，而且还能产生光。8月17日，LIGO捕捉到了这个引力波信号，随后包括中国“慧眼”硬X射线天文望远镜在内，全球约70个地面及空间望远镜，从红外、X射线、紫外和射电波等波段开展观测，确认引力波信号来自距地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系。