2020年12月10日凌晨4时14分，我国在西昌卫星发射中心成功发射引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星。这是北京怀柔综合性国家科学中心空间科学实验室挂牌后的首个科学卫星发射任务，该卫星也被命名为“怀柔一号”。 

       引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星(简称GECAM卫星)由中国科学院空间科学二期先导专项部署研制。该专项是中科院“率先行动”计划的重要组成部分。此前的一期专项已成功发射了“悟空”、“墨子”、“慧眼”、“实践十号”等科学卫星。2019年8月31日，二期专项首颗技术验证卫星——微重力技术实验卫星“太极一号”成功发射，迈出我国空间引力波探测奠基性的第一步。

      此次发射的卫星由2颗小卫星组成。它们采用共轭轨道的星座布局，将全天监测引力波伽马暴、快速射电暴高能辐射，特殊伽马暴和磁星爆发等高能天体爆发现象，推动破解黑洞、中子星等致密天体的形成和演化，以及双致密星并合之谜。此外，卫星还将探测太阳耀斑、地球伽马闪和地球电子束等日地空间高能辐射现象，为进一步研究其物理机制提供科学观测数据。

      作为北京怀柔综合性国家科学中心空间科学实验室挂牌后发射的首个科学卫星任务，中国科学院与北京市人民政府共同将GECAM卫星命名为“怀柔一号”。“怀柔一号”卫星还有一个昵称——“极目”，两颗小卫星“小极”和“小目”分布于地球两侧，形成两“极”之势，犹如二“目”，将对黑洞、中子星等极端天体的剧烈爆发现象进行观测，快速下传并发布观测警报,引导国内外科学家利用各类望远镜进行后随观测。

      据介绍，GECAM卫星工程任务由中国科学院负责组织实施，国家空间科学中心负责工程大总体和地面支撑系统的研制建设，微小卫星创新研究院负责卫星系统研制。用于这次发射任务的长征十一号遥九运载火箭由中国航天科技集团有限公司第一研究院研制，此次任务是长征十一号运载火箭的第11次发射任务。

       什么是伽马射线爆发?

       几亿光年以外，两颗走到生命尽头的巨大恒星上演了它们生命力最为灿烂的场景——超新星爆发，之后它们变成了两颗致密的中子星。每立方厘米的质量达十亿吨!

       这两颗中子星彼此吸引，相互绕转，并逐渐接近，相互绕转的速度也越来越快，直到它俩最终碰撞到一起。这次相撞的能量如此之高，以至于发出的光超过了它们所在星系所有恒星的光芒——这是一次伽马射线爆发。伴随着巨大的伽马暴，还有一股能量扰动着弯曲的宇宙时空，这股能量就是引力波。

       引力波和与之相伴的伽马暴都携带着丰富的物理信息，穿越亿万光年，向我们展现和描绘这一重大物理事件的始末。天文学家通过多种观测和数据分析手段对其中所携带的信息进行解读，可以检验已有的理论模型，发展新的理论模型，从而揭示这一宇宙高能过程的内在规律。

      “怀柔一号”有什么本领?

      “怀柔一号”GECAM卫星系统载荷总师李新乔说，遥远的高能天体源X射线和伽马射线虽然能量很高，但会被地球大气大量吸收。因此对高能天体源的探测只能在大气层之外的宇宙空间进行。这就让“怀柔一号”GECAM卫星有了用武之地。它可以敏锐地发现我们所看不见的X射线、伽马射线以及高能带电粒子。

      李新乔介绍，单颗近地天文卫星受地球遮挡无法实时观测整个宇宙天区。而“怀柔一号”采取双星联合的方式。两颗GECAM卫星在轨飞行时均背向地球，它们和地心始终保持三点一线。每颗GECAM卫星的视场可以覆盖除地球遮挡视场之外的所有天区，这样就实现了全时全天的视场覆盖，练就了眼观六路的神通。

       此外，GECAM卫星选择了相对较小的29度倾角，约600千米高的圆轨道，这样可以较好地避开地球辐射带和南大西洋高能粒子聚集异常区等背景信号过高的区域。同时，该卫星载荷探测器自身产生的背景信号也保持在较低水平，保证了其对弱天体源光子信号的收集和探测能力。

      李新乔自豪地说，“怀柔一号”GECAM卫星将是未来几年之内在轨运行的监测伽马暴灵敏度最高的天文卫星。经过了研制人员的精雕细琢，“怀柔一号”练就了“火眼金睛”。

       如何从外空发回“短信”?

     “怀柔一号”GECAM卫星科学应用系统副总师郑世界介绍，通常情况下，卫星上探测得到的天文现象和天文数据，必须通过地面的接收天线下传，地面科研人员才能进一步分析处理。对GECAM卫星来说，它的轨道周期是90分钟，即约90分钟绕地球一圈，但每圈中最多只有10分钟会经过中国境内的数传接收站。

      同时，由于卫星的自转以及轨道进动(即由于地球摄动力的影响使卫星轨道发生逐渐的“漂移”)，卫星的很多圈次不会经过中国上空，导致最长12小时内地面无法接收到卫星上的观测数据和信息。因此，星地之间的这条信息线路会发生几十分钟乃至十几小时的断路，无法将大量重要事件及时传下来。

       如何解决该难题？我国自主研制并建立了星地信息传递链路，能够把卫星上探测到的重要事件信息通过“短信”方式准实时发送到地面，启动快速处理。郑世界说，“怀柔一号”GECAM卫星的信息传递流程是这样的：宇宙中的天文现象(例如伴随引力波发生后的伽马射线暴、磁星爆发等)发生后，产生的高能辐射扫过地球，其高能的光子将被一颗或两颗GECAM卫星探测到。当这些高能光子流量超过设定的触发阈值后，卫星会自动开展分析计算，得到具体信息，包括发生的时间、方位、强度等，并立即将这些信息以及关键数据发送给星间链接系统，并最快在2分钟内下传到地面。地面自动处理这些信息后，即可生成暴发事件报告，通过全球伽马暴坐标网络对外发布，以便引导其他卫星、地面观测设备开展观测。

      之后，更详细的科学观测数据会通过地面站的接收天线下传到地面，经过解包、预处理、标定等一系列处理后，生成标准的科学数据产品，以便科学家进行更详细的科学分析。

      此外，“怀柔一号”GECAM的两颗卫星上天后会逐渐分开，分处于地球的两端，相隔距离超过1.3万公里，它们相互之间没有直接通讯。这样，即使两颗卫星看到了同一个引力波伽马暴、快速射电暴等，也只能向地面报告自己的结果。地面上的科学家可以清晰掌握两颗卫星的观测情况，如果两颗卫星探测到了同一个爆发，有了更多的探测数据，就可以得到显著性更高的结果。

      本报记者 张航

      中国科学院高能物理所供图

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