“引力波暴高能電磁對應(yīng)體全天監(jiān)測器”衛(wèi)星任務(wù)概況

熊少林 張科科 李超 鄭耀昕 吳季

（1 中國科學(xué)院高能物理研究所 2 中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院 3 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心）

天文學(xué)是一門觀測驅(qū)動(dòng)的科學(xué)，天文學(xué)的重大進(jìn)展往往源自于新的觀測發(fā)現(xiàn)。2015年9月14日，美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）首次直接探測到來自雙黑洞并合的引力波信號(hào)，開辟了人類探索宇宙奧秘的新窗口，該發(fā)現(xiàn)完成了愛因斯坦廣義相對論的最后一塊拼圖，揭開了引力波天文學(xué)時(shí)代的序幕。

引力波發(fā)現(xiàn)之后，伴隨引力波產(chǎn)生的電磁輻射（即引力波電磁對應(yīng)體）的探測研究變得更加重要和緊迫。鑒于引力波電磁對應(yīng)體的高能輻射（即引力波伽馬暴）具有獨(dú)特的重要作用，以及國內(nèi)外探測引力波伽馬暴設(shè)備的不足，針對引力波伽馬暴獨(dú)特的探測需求，提出了“引力波暴高能電磁對應(yīng)體全天監(jiān)測器”（GECAM）項(xiàng)目。

2017年8月17日，人類首次發(fā)現(xiàn)雙中子星并合產(chǎn)生的引力波及其電磁對應(yīng)體，直接證實(shí)了引力波電磁對應(yīng)體的存在及其在引力波相關(guān)研究中的重要作用，取得了一系列重大突破，開啟了多信使引力波天文學(xué)時(shí)代。引力波電磁對應(yīng)體的探測研究已成為國際上最熱門的研究領(lǐng)域之一，預(yù)期將產(chǎn)生更多重大原創(chuàng)成果。

2018年12月，中國科學(xué)院正式批復(fù)立項(xiàng)GECAM 衛(wèi)星任務(wù)。該任務(wù)是中國科學(xué)院空間科學(xué)（二期）A 類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)[簡稱空間科學(xué)（二期）先導(dǎo)專項(xiàng)]繼“太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像”衛(wèi)星計(jì)劃（SMILE）、“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”（ASO-S）和“愛因斯坦探針”（EP）之后部署實(shí)施的第4 個(gè)科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)[1-3]。GECAM采用兩顆共軛運(yùn)行在低傾角低軌道的微小衛(wèi)星方案[4-7]，主要探測引力波伽馬暴等各種空間高能輻射現(xiàn)象，不僅具有全時(shí)全天視場、高靈敏度、良好定位精度和寬能段覆蓋，而且具備在軌觸發(fā)定位以及準(zhǔn)實(shí)時(shí)下傳探測結(jié)果的能力，可引導(dǎo)其他望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行后隨觀測。

1 科學(xué)目標(biāo)與任務(wù)

GECAM 衛(wèi)星任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)主要包括：全天監(jiān)測引力波伽馬暴，發(fā)現(xiàn)最大樣本的引力波伽馬暴和新的輻射現(xiàn)象，研究中子星、黑洞等致密天體及其并合過程；全天監(jiān)測快速射電暴可能的高能輻射，揭示其物理起源和輻射機(jī)制；全時(shí)監(jiān)測各類特殊伽馬暴和磁星爆發(fā)，深入研究它們的爆發(fā)機(jī)制。

GECAM 衛(wèi)星任務(wù)的工程目標(biāo)包括：研制兩顆衛(wèi)星，采用一發(fā)固體運(yùn)載火箭，在發(fā)射場、測控系統(tǒng)的支持下，將衛(wèi)星發(fā)射至預(yù)定軌道并完成雙星部署；完成地面支撐系統(tǒng)適應(yīng)性改造和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)研制建設(shè)，為科學(xué)觀測與研究提供支持。衛(wèi)星在軌開展對引力波伽馬暴等高能輻射現(xiàn)象進(jìn)行全時(shí)全天視場、寬能段、高靈敏度和良好定位的監(jiān)測，研究黑洞、中子星和引力波等物理現(xiàn)象。

GECAM 衛(wèi)星任務(wù)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括[8]：

1）采用溴化鑭晶體（LaBr3）和硅光電倍增器（SiPM）的方案，實(shí)現(xiàn)空間伽馬射線探測器的小型化、非高壓、低能閾、低熱敏、強(qiáng)抗振設(shè)計(jì)；

2）采用層疊式模塊化微納衛(wèi)星平臺(tái)和單翼斜置電池翼對日自主隨動(dòng)方案，實(shí)現(xiàn)微納衛(wèi)星2：1 的平臺(tái)載荷比和長時(shí)高功率能源供給；

3）利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的全球短報(bào)文功能實(shí)現(xiàn)星地間的準(zhǔn)實(shí)時(shí)（延遲時(shí)間小于幾分鐘）科學(xué)數(shù)據(jù)通信。

GECAM 衛(wèi)星具有在軌快速觸發(fā)和定位功能，在北斗短報(bào)文系統(tǒng)的支持下，GECAM 衛(wèi)星可準(zhǔn)實(shí)時(shí)下傳觸發(fā)信息至科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，然后通過“伽馬暴坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)”（GCN）等系統(tǒng)發(fā)布引力波伽馬暴、伽馬暴以及其他暫現(xiàn)源的觸發(fā)時(shí)間和定位等信息，引導(dǎo)多波段望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行后隨觀測。

2 有效載荷配置

為實(shí)現(xiàn)其科學(xué)目標(biāo)，每顆GECAM 衛(wèi)星配置了25 個(gè)伽馬射線探測器（GRD）和8 個(gè)荷電粒子探測器（CPD），分別探測8keV～2MeV 的伽馬射線和300keV～5MeV 的電子。每顆GECAM 衛(wèi)星的25個(gè)伽馬射線探測器分別指向不同方向，從而使每顆衛(wèi)星可監(jiān)測除地球遮擋之外的所有天區(qū)。兩顆GECAM衛(wèi)星運(yùn)行在地球兩側(cè)，從而具有全時(shí)全天視場，可監(jiān)測包括引力波伽馬暴在內(nèi)的全天隨機(jī)發(fā)生的高能暫現(xiàn)源。

除了實(shí)現(xiàn)上述科學(xué)目標(biāo)，GECAM 衛(wèi)星也將探測太陽耀斑（SFL）和地球伽馬閃（TGF）等來自太陽和地球的高能輻射現(xiàn)象。針對地球伽馬閃的探測需求，伽馬射線探測器采取了縮短死時(shí)間、增加探測器個(gè)數(shù)等優(yōu)化措施，盡量避免地球伽馬閃高流強(qiáng)導(dǎo)致的脈沖堆積等效應(yīng)，準(zhǔn)確測量地球伽馬閃的能譜和光變曲線。為了探測地球伽馬閃伴隨產(chǎn)生的地球電子束（TEB）現(xiàn)象，荷電粒子探測器采用逐事例探測模式，縮短死時(shí)間，而且多個(gè)荷電粒子探測器指向不同方向，從而可以判定地球電子束的入射方向。綜合伽馬射線探測器和荷電粒子探測器等多個(gè)探測器的信息，GECAM 將聯(lián)合測量地球伽馬閃和地球電子束的輻射性質(zhì)，從而全面研究地球伽馬閃產(chǎn)生過程中伽馬射線和電子的產(chǎn)生機(jī)制。

伽馬射線探測器的主要技術(shù)指標(biāo)：

1）探測面積（單體）：＞40cm2；

2）探測能區(qū)（伽馬射線）：8keV～2MeV；

3）能量分辨率（FWHM）：＜18%@59.5 keV。

荷電粒子探測器的主要技術(shù)指標(biāo)：

1）塑閃尺寸（單體）：＞15cm2；

2）探測能區(qū)（電子）：300keV～5MeV。

載荷處理器的主要技術(shù)指標(biāo)：

1）在軌觸發(fā)、定位計(jì)算時(shí)間：≤1min；

2）探測器相對時(shí)間精度：＜0.5μs。

GECAM 衛(wèi)星布局示意圖

GECAM 衛(wèi)星星座及軌道示意圖

GECAM 衛(wèi)星構(gòu)型圖

3 GECAM 衛(wèi)星工程方案

GECAM 衛(wèi)星工程任務(wù)由衛(wèi)星系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、地面支撐系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)六大系統(tǒng)組成。GECAM 以“一箭雙星”的方式發(fā)射，兩顆衛(wèi)星同時(shí)入軌后，通過相位調(diào)整，運(yùn)行于地球兩側(cè)，從而可監(jiān)測全部天區(qū)。GECAM 雙星共軛運(yùn)行在軌道高度600km、傾角29°的低軌圓軌道上，相位差180°±5°。

衛(wèi)星系統(tǒng)

GECAM 衛(wèi)星系統(tǒng)由衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷分系統(tǒng)兩部分組成，衛(wèi)星平臺(tái)以成熟的WN100 微納平臺(tái)為基礎(chǔ)，包括結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、姿軌控分系統(tǒng)、綜合電子分系統(tǒng)、星務(wù)分系統(tǒng)。單星發(fā)射包絡(luò)尺寸不大于580mm（X）×1050mm（Y）×1364mm（Z）。衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)和天頂主平面對日指向策略。數(shù)據(jù)傳輸在X 頻段，碼速率不小于300Mbit/s，測控為S 頻段統(tǒng)一載波系統(tǒng)。雙星總質(zhì)量小于360kg，在軌壽命不小于3年。衛(wèi)星平臺(tái)由中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院負(fù)責(zé)研制，有效載荷由中國科學(xué)院高能物理研究所負(fù)責(zé)研制。

運(yùn)載火箭系統(tǒng)

采用長征十一號(hào)固體運(yùn)載火箭，以航天發(fā)射服務(wù)形式委托給中國航天科工信息技術(shù)研究院。

發(fā)射場系統(tǒng)和測控系統(tǒng)

發(fā)射場預(yù)計(jì)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，主要完成衛(wèi)星發(fā)射的適應(yīng)性改造及衛(wèi)星與火箭的發(fā)射技術(shù)保障任務(wù)；測控工作由西安衛(wèi)星測控中心負(fù)責(zé)，主要完成火箭發(fā)射階段外測、遙測、安控等任務(wù)，完成衛(wèi)星發(fā)射及在軌運(yùn)行期間對衛(wèi)星的跟蹤測軌、遙測、遙控等任務(wù)。

地面支撐系統(tǒng)

地面支撐系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)施衛(wèi)星和有效載荷在軌運(yùn)行管理及狀態(tài)監(jiān)視，完成科學(xué)數(shù)據(jù)的接收、預(yù)處理以及數(shù)據(jù)產(chǎn)品的管理與歸檔，提供長期的科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品共享與科普宣傳服務(wù)。該系統(tǒng)由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心負(fù)責(zé)研制，其中科學(xué)數(shù)據(jù)地面接收由中國科學(xué)院空天信息研究院負(fù)責(zé)。

科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)

科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)制定觀測計(jì)劃，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)管理，生產(chǎn)和發(fā)布科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，研發(fā)并提供科學(xué)分析軟件，為科學(xué)用戶提供支持和服務(wù)。該系統(tǒng)由中國科學(xué)院高能物理研究所負(fù)責(zé)研制。

4 研制進(jìn)展及發(fā)射計(jì)劃

GECAM 衛(wèi)星任務(wù)于2019年3月完成了衛(wèi)星方案研制總結(jié)暨初樣設(shè)計(jì)評審，于2019年11月轉(zhuǎn)入正樣研制階段，計(jì)劃2020年年底前發(fā)射。

5 結(jié)束語

GECAM 是針對2020年多信使引力波天文學(xué)新時(shí)代的重大研究機(jī)遇而提出的空間科學(xué)任務(wù)。在各種波段的引力波電磁對應(yīng)體中，高能電磁對應(yīng)體（即引力波伽馬暴）在獨(dú)立證認(rèn)引力波信號(hào)、縮小引力波定位區(qū)域、引導(dǎo)其他電磁波段的后隨觀測、研究致密星及其并合過程、測量引力波速度等方面，具有不可取代的重要地位。GECAM 具有獨(dú)一無二的全時(shí)全天區(qū)覆蓋和高精度探測能力，將獲得最大樣本的引力波伽馬暴，使我國在引力波高能電磁對應(yīng)體探測研究領(lǐng)域快速占有重要的優(yōu)勢地位。GECAM也將探測快速射電暴的高能輻射、特殊伽馬暴、磁星暴發(fā)，以及太陽耀斑和地球伽馬閃等，預(yù)期將取得一系列重要成果。