空间望远镜上新，快来了解一下吧！
天文学是一门观测驱动的科学，天文学的重大发展往往源自于新的观测发现。
几千年前，人类就开始观察宇宙星辰，探寻宇宙的奥秘：
图1.纵目的蚕丛，长着“千里眼”的青铜面具
自伽利略发明望远镜观测宇宙星空，四百多年以来，探测手段已经极大丰富，人们建造了各种类型的望远镜，熟知的有光学望远镜、射电望远镜等。
图2.大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）
图3.500米口径球面射电望远镜（FAST）
甚至把望远镜发射进入太空，比如慧眼空间x射线望远镜。
图4.慧眼HXMT望远镜
对于能量极高的电磁波（超高能伽马射线），望远镜是这样的：
图5.高海拔宇宙线观测站（LHAASO）
虽然这些望远镜看上去风马牛不相及，但它们都有一个共同特点：观测的都是电磁波。电磁波也就是光。光的波长不同，则能量不同，探测原理和技术手段也就各异，因此电磁波望远镜外形差异极大。目前，人们对宇宙和天体的绝大部分认识都来自电磁波的观测。
图6.电磁波能谱示意图
然而，近年来人类探索宇宙的重大突破来自另一种波，引力波：2016年2月，激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布于2015年9月14日首次直接探测到两颗黑洞并合产生的引力波信号，开辟了人类探测宇宙的新窗口，揭开了引力波天文学时代的序幕。引力波相关研究获得了2017年诺贝尔物理学奖。
图7.激光干涉引力波天文台（LIGO）
黑洞是宇宙中引力最强的天体。质量高达几十上百个太阳的恒星，当寿命走向终结时，中心坍塌形成一颗黑洞。还有更大的黑洞，比如咱们银河系中心的黑洞，质量相当于400万个太阳。有趣的是，继引力波之后，黑洞的相关研究获得了2020年诺贝尔物理学奖。
图8.电影《星际穿越》中的黑洞
就像地球围绕太阳运行，宇宙中存在很多相互绕转的双黑洞系统，它们绕转距离越来越近，最后相撞合并在一起，形成一颗质量更大的黑洞。因为黑洞的引力场极强，这个过程产生引力场的剧烈变化并向外传播，形成引力波。
图9.两颗致密星（黑洞或中子星）产生引力波（图片来自网络）
引力波跟其它波动一样，可以用波长和频率描述，双致密星并合产生的引力波频率跟人类可听见的声波频率类似，因此人们把这类引力波信号比喻为天体发出的“声音”。如果把双致密星并合产生的引力波，转换成同样频率的声音，那么极像小鸟的叫声，因此科学家给它取名为“啁啾信号“。
图10.引力波信号
引力波发现后，引力波电磁对应体迅速成为天文观测研究的最前沿。顾名思义，引力波电磁对应体是指与引力波在时间和空间上成协的电磁辐射天体源，也就是由引力波波源发出的光。从观测上来说，就是在引力波定位区域找到对应的各种电磁波段的天体源。如果把引力波比作并合天体发出的声音，那么电磁对应体就是并合过程的画面，二者结合毫无疑问将产生1+1>2的效果，使人们对宇宙天体及物理规律的认知提升到一个新的维度。
图11.寻找对应体的动图
虽然LIGO发现的大部分引力波事件都来自双黑洞并合，且很多理论认为双黑洞并合过程不会发光，即不会产生电磁对应体，但是天文学的重大发现往往出乎人们的意料。事实上，从第一个引力波开始，天文学家就孜孜不倦地在电磁波的各个波段搜索引力波波源可能发出的光。
在电磁波宽广的波谱中，x射线和伽马射线波段在探测引力波电磁对应体中占有特殊地位。一方面是因为双中子星并合不仅能产生引力波，而且长期以来被认为是短伽马暴的前身星，因此，很多人笃定短伽马暴就是双中子星并合引力波的电磁对应体。
图12.伽马射线暴的产生过程
另一方面，在x射线和伽马射线波段比较容易实现跟引力波探测器一样的全天视场，这对于监测预期发生率极低的引力波电磁对应体极为关键。事实上，在2017年8月17日首个双中子星并合引力波的观测中，短伽马暴扮演了关键角色。
图13.首个双中子星并合引力波产生短伽马暴
由于地球大气对伽马射线有强烈的吸收，探测伽马射线暴需要将观测设备放在太空中，即空间伽马射线望远镜。目前的伽马射线望远镜都不是专门为引力波伽马暴而设计，普遍具有视场、灵敏度、定位能力等方面的局限。
针对国内外发展状态，我们提出建造引力波暴高能电磁对应体全天监测器（Gravitational
Wave High Energy Electromagnetic Counterpart All Sky Monitor,
简称GECAM）。GECAM专门针对引力波高能电磁对应体的探测需求而设计，采用一系列创新的技术方案，不仅具有全天视场、高灵敏度、良好定位精度、宽能段和低能阈的综合性能优势，而且具备即时发布观测警报，引导其它观测设备进行后随观测的能力。
图14.GECAM卫星在轨飞行
跟很多卫星不同，GECAM只有单侧的太阳帆板，在建造GECAM的师傅们看来，这让它活像一个小士兵、小飞侠。
GECAM卫星主要分为三个部分：顶部的穹顶舱，中间是载荷电子学舱，处理和存储探测信号；下部是卫星平台，为科学探测提供各项服务。穹顶舱装满了探测宇宙奥秘的探测器，其中圆形探测伽马射线，方形探测荷电粒子。（天圆地方的意味get到了吗？）
图15.GECAM卫星的有效载荷，顶部是半球形穹顶舱，其下面是载荷电子学舱，负责处理探测器的信号。
GECAM卫星轨道高度600公里，地球将遮挡大约1/3的天空，而引力波事件是全天随机发生的，这意味着一颗卫星无法对全部引力波事件进行监测。为了形成全天完整监测，GECAM由两颗相同的卫星组成，两颗卫星运行在相同的轨道上，且时刻位于地球两端，就像一双眼睛时刻监测着整个天空。
图16. GECAM双星在轨运行示意图，两颗卫星就像哨兵一样对全天进行完整监测。
GECAM于2016年3月提出项目概念，并立刻开展关键技术攻关，2018年7月入选中国科学院“空间科学”（二期）战略性先导科技专项，2018年12月正式批复立项，2019年11月完成初样研制，2020年11月完成正样研制，计划2020年12月以一箭双星发射入轨。
这是GECAM卫星的标识（logo），展示了GECAM是由两颗微小卫星组成的星座，对全部天空的完整监测。
图17.GECAM卫星logo
Logo上部展示了GECAM主要的观测对象之一：宇宙中神秘的黑洞和中子星的激烈碰撞。黑洞和中子星都是引力极强的天体，它们的碰撞预期将产生强烈的引力波和伽马射线暴发。不过迄今为止人们还没有探测到这类神秘天体的伽马射线暴。
图18.GECAM双星在轨运行想象图
除了引力波高能电磁对应体，GECAM还将探测快速射电暴的高能辐射、特殊伽马暴和磁星暴发等各类高能天体爆发现象，研究黑洞、中子星等致密天体的形成与演化、双致密星的并合过程以及各类天体爆发的起源和辐射机制等。
图19.伽马射线暴
图20.磁星
GECAM也将探测研究太阳耀斑和地球伽马闪等日地空间的高能辐射现象。
图21.太阳耀斑
图22.地球伽马闪
从地球、太阳到银河系以及最遥远的宇宙中将会发生怎样惊心动魄的极端爆发现象，黑洞和中子星的强强对决会演绎出怎样的精彩，期待GECAM给我们答案吧。
来源：中国科学院高能物理研究所