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12月10日4时14分，我国在西昌卫星发射中心用长征十一号运载火箭，以“一箭双星”方式将“引力波暴高能电磁对应体全天监测器”（缩写为GECAM）卫星送入预定轨道，发射获得圆满成功。

GECAM是由中国科学院高能物理研究所牵头承担和实施，专门针对近年来新出现的引力波研究重大机遇而提出的“短平快”项目。GECAM由两个微小卫星组成，“背靠背”地部署在地球两侧，实现独一无二的全天区覆盖监测。

GECAM有望获得最大样本的引力波伽马暴，使我国在引力波高能电磁对应体探测研究领域快速占有重要的优势地位。GECAM也将探测快速射电暴的高能辐射、特殊伽马暴、磁星爆发，以及太阳耀斑和地球伽马闪等，预期将取得一系列重要成果。

GECAM观测的各种伽马暴是什么？为什么科学界对其热情这么高？本文予以简要解读。

GECAM卫星示意图

瞄准引力波伽马暴观测机遇期

为什么要观测各种伽马暴？它们是什么？

先说伽马暴。伽马射线暴(简称伽马暴，GRB)是宇宙中十分剧烈的恒星级爆发现象.伽马暴在短时间(~ms–~100s)内释放出巨大的能量,与太阳的静能相当。

传统的理论认为伽马暴可以分为两类:短暴,持续时间小于2s,能谱偏硬。长暴,持续时间大于2s,能谱偏软。科学家认为，长短暴的种种差异，说明这两类暴很可能具有截然不同的物理起源：一般认为,长伽马暴来自大质量恒星的塌缩，而短暴来自于致密星并合过程。

所谓致密星并合，可以是中子星-中子星、中子星-黑洞、黑洞-黑洞并合事件，等等。

接下来介绍引力波伽马暴。这要从引力波说起。

引力波是弯曲时空中的涟漪，是现代物理理论基石之一的广义相对论的预言，是检验自然规律、洞察宇宙的重要手段。近年来，引力波相关研究取得了一系列突破性进展。2015年激光干涉引力波天文台（LIGO）首次发现引力波。

2017年8月17日,LIGO和Virgo（室女座引力波天文台）探测了一个持续时间长达一百多秒的引力波信号——GW170817。在探测到引力波事件1.7s后,Fermi卫星在相关区域测探测到了一个短伽马暴(GRB170817A)的辐射,持续时间约为2s。

这是历史上第一个被探测到的引力波电磁对应体。引力波信号与伽马暴辐射之间的时间差为理解伽马暴喷流的驱动机制、传播过程和辐射机制提供了全新的重要观测限制,也可用于检验引力波的传播速度。上述发现，标志着人类进入了“多信使引力波天文学”的新时代。

对上述短伽马暴和引力波信号成协事件的观测研究，为关于短伽马暴“多致密天体并合”起源的世纪猜想提供了一个坚实的证据,并极大地丰富了人们对短伽马暴爆发特性的认识。

但是，在这一领域仍然存在着一系列重大的问题有待进一步的探索和回答。例如，上述GRB170817A辐射性质的特殊之处是否恰如现在所理解的完全来自观测方向的大角度?如若确实如此,其喷流结构究竟是怎样的且是如何形成的?在与喷流形成相对应的爆发过程中,短伽马暴的前兆辐射、瞬时辐射、延展辐射等不同的辐射阶段分别对应了怎样的物理过程和辐射机制?其中,并合产物可能扮演了什么角色、具有什么性质?

回答这些问题，无疑需要我们观测到更多的与引力波成协的短伽马暴事例。

而随着地面引力波探测器的投入使用，今后几年人类预期发现大量的引力波事件，将是探测研究引力波电磁对应体的重要机遇窗口。然而，现有的探测引力波高能电磁对应体（主要是X射线和伽马射线，简称引力波伽马暴）的空间望远镜综合性能不足，容易错失宝贵的发现机会。

为了抓住引力波研究的重大机遇，中国科学院高能物理研究所于2016年提出GECAM项目，它具有全时全天视场、高灵敏度、良好的定位精度和宽能段覆盖的综合优势，同时具备在轨触发定位以及准实时下传触发信息的能力，可及时引导空间和地面望远镜的后随观测，其对引力波伽马暴的综合探测性能全面超过现有的或届时将运行的观测设备。

GECAM轨道示意图

GECAM包含两颗微小卫星，运行于600公里高度的低地球轨道，轨道面相同，但轨道相位相反，即两颗卫星总是位于地球的两侧。每颗卫星都能监测除了地球遮挡之外的全部天区，因而，两颗卫星可联合监测全部天区，形成捕捉引力波伽马暴的天网。

可以相信,GECAM将成为观察双致密星并合事件的一个重要窗口,从而使我们有机会触及引力波和短伽马暴研究的下一个激动人心的重大发现。

超长和超软的伽马暴……GECAM也有望大显身手

除了短暴，对于超长的伽马暴的观测，GECAM也是“专家”。

前文说到，短暴持续时间小于2s,能谱偏硬。长暴,持续时间大于2s,能谱偏软。长短伽马暴很可能具有截然不同的物理起源：一般认为,长伽马暴来自大质量恒星的塌缩，而短暴来自于致密星并合过程。

近年来通过对数据进一步的发掘,人们意识到该2s的界限会受到仪器效应的影响,人们对伽马暴“长”“短”的定义实际上更多暗含其物理起源的信息。

近年来，一系列伽马射线探测器陆续发现一些爆发时间特别长的伽马暴,持续时间可达104s,甚至大于104s,这类伽马暴被称为超长暴。

超长暴的持续时间很长且流量较低，现有的伽马射线卫星较难被超长暴触发,即使被触发,也存在时间分辨率不够以及光变记录不完整等问题。

对于超长暴，GECAM的灵敏度高,可以被流量较低的超长暴触发,进而扩充现有的超长暴样本。另外,GECAM可以全天视场对伽马暴进行监测,不受地球遮挡的影响,且时间分辨率高,方便我们获得质量较高的完整的超长暴光变和能谱信息。

另一种伽马暴叫“超软暴”。顾名思义，它的能谱偏软，而现有的大多数伽马射线卫星的探测能段在几十keV以上,探测超软暴的效率不高，并且以往和现有的X射线卫星是在伽马射线探测器被触发之后数分钟才开始对该暴进行后续观测,因此,超软暴的瞬时辐射在X射线能段普遍缺乏观测数据。

对此GECAM能够对低能段(6–100keV)的覆盖,有利于我们对软伽马射线辐射较强的超软暴开展详尽的观测和研究。

【记者】王诗堃