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小小卫星放光彩: "天格计划"天文立方星探测到首个伽马射线暴


2021年12月3日,天(tian)格计(ji)划的GRID-02天(tian)文立方(fang)星载荷观测到(dao)的宇宙伽(jia)马射线暴事例GRB 210121A及其物理分析的论(lun)文在线发表在《美国天(tian)体物理学报》(The Astrophysical Journal)上。火狐体育登陆与清华大学天格团队合作完成了这(zhei)次(ci)天格观测数据的处理(li)和物理(li)分析(xi)这是天(tian)格计划首篇(pian)正式(shi)发(fa)表的伽马暴科(ke)学观测结果,也是国际上同(tong)类微纳(na)卫星(指质量小于10千克、具有实(shi)际使(shi)用功能的(de)卫星)伽马暴探(tan)测项(xiang)目中,首例取得科(ke)学(xue)发现和论文(wen)发表(biao)(biao)的(de)伽马暴事例。这项(xiang)工作表(biao)(biao)明该类微纳(na)卫星在(zai)空间天文(wen)粒子探(tan)测、前(qian)沿天文(wen)科(ke)学(xue)观测等方面具有广阔的(de)应用前(qian)景。

"天(tian)格计划"是一个以本(ben)科(ke)生学生团(tuan)队(dui)为主体(ti)的空(kong)间科(ke)学项目,其主要(yao)科(ke)学目标为寻找与引力(li)波、快速射(she)电暴成(cheng)协(xie)的伽马暴以及(ji)其它(ta)高能天(tian)体(ti)物理瞬变源(yuan)。其特(te)色是利(li)用立(li)方(fang)(fang)(fang)星(xing)(分(fen)米级别的(de)(de)(de)(de)(de)(de)小(xiao)卫星(xing)模(mo)块)平台,搭建由多个小(xiao)卫星(xing)组成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)全天伽(jia)马(ma)(ma)射(she)(she)线(xian)暴(bao)监视网(wang)(wang)络(luo),用以探测(ce)和(he)(he)定位伽(jia)马(ma)(ma)射(she)(she)线(xian)暴(bao)等天体(ti)瞬变源。相比(bi)于综合型、高功率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)大型卫星(xing),如(ru)美国航空航天局(NASA)将于2021年底发射(she)(she)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)质(zhi)量高达6.2吨、成本(ben)已(yi)逾(yu)数百亿美元的(de)(de)(de)(de)(de)(de)詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST),立(li)方(fang)(fang)(fang)星(xing)具有模(mo)块化、低成本(ben)、短周期的(de)(de)(de)(de)(de)(de)特(te)点,能够(gou)实现(xian)(xian)大卫星(xing)无(wu)法实现(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)快速发射(she)(she)、多颗组网(wang)(wang)、全天覆(fu)盖,还(hai)可(ke)以降低风(feng)险与成本(ben)。天格计(ji)划预(yu)计(ji)利(li)用10-24颗立(li)方(fang)(fang)(fang)星(xing)在(zai)500-600公里的(de)(de)(de)(de)(de)(de)近地轨道进行组网(wang)(wang),在(zai)2018~2023年内(nei)逐(zhu)步完成。这(zhei)一(yi)方(fang)(fang)(fang)案能够(gou)实现(xian)(xian)对(dui)短伽(jia)马(ma)(ma)射(she)(she)线(xian)暴(bao)真正的(de)(de)(de)(de)(de)(de)全天覆(fu)盖探测(ce),并可(ke)通过时间延(yan)迟和(he)(he)流(liu)强(qiang)调制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)(fang)式实现(xian)(xian)有效定位,可(ke)保(bao)证(zheng)不错过任何一(yi)次与引力波暴(bao)发成协的(de)(de)(de)(de)(de)(de)短伽(jia)马(ma)(ma)射(she)(she)线(xian)暴(bao),有着(zhe)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)科学意义。

2016年(nian),天(tian)(tian)(tian)格(ge)(ge)计划由(you)清华大学(xue)工程物理(li)系(xi)和天(tian)(tian)(tian)文系(xi)共同(tong)发起,目(mu)前(qian)有火狐(hu)体育(yu)登陆、中科(ke)(ke)院高(gao)能所等(deng)(deng)20余所高(gao)校(xiao)(xiao)和研究所共同(tong)参与合作。火狐(hu)体育(yu)登陆、北京(jing)师(shi)范大学(xue)等(deng)(deng)高(gao)校(xiao)(xiao)的(de)天(tian)(tian)(tian)格(ge)(ge)团队也将完成卫星(xing)载荷的(de)研发调试。截至目(mu)前(qian),天(tian)(tian)(tian)格(ge)(ge)计划已于2018年(nian)10月(yue)、2020年(nian)11月(yue)和12月(yue)分别发射了(le)三颗天(tian)(tian)(tian)格(ge)(ge)卫星(xing)。天(tian)(tian)(tian)格(ge)(ge)02星(xing)(GRID-02,见图(tu)2) 已积累了(le)5个(ge)月(yue)的(de)科(ke)(ke)学(xue)数(shu)据,其首(shou)批科(ke)(ke)学(xue)数(shu)据已被国家(jia)空间科(ke)(ke)学(xue)数(shu)据中心接收,未来将对(dui)科(ke)(ke)学(xue)界(jie)保(bao)持开放共享。

火狐(hu)(hu)体(ti)育(yu)登陆天(tian)格(ge)(ge)团(tuan)(tuan)(tuan)队(dui)自2018年成(cheng)(cheng)(cheng)立(li)(li)以(yi)来,在江苏省双创(chuang)计(ji)划、火狐(hu)(hu)体(ti)育(yu)、火狐(hu)(hu)体(ti)育(yu)登陆双创(chuang)办公(gong)室等(deng)的(de)(de)有(you)(you)力支持下,成(cheng)(cheng)(cheng)立(li)(li)了(le)(le)(le)创(chuang)新团(tuan)(tuan)(tuan)队(dui),充(chong)分(fen)发(fa)挥团(tuan)(tuan)(tuan)队(dui)的(de)(de)天(tian)文专业(ye)优势,开发(fa)了(le)(le)(le)科学(xue)数据产品分(fen)析的(de)(de)流程管(guan)线(pipeline),设(she)(she)(she)置(zhi)了(le)(le)(le)富有(you)(you)特色的(de)(de)科创(chuang)融(rong)合课程,展开对小卫星探(tan)测器的(de)(de)研发(fa)。目前,南大(da)天(tian)格(ge)(ge)团(tuan)(tuan)(tuan)队(dui)已(yi)经成(cheng)(cheng)(cheng)功完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)了(le)(le)(le)首颗南大(da)-川大(da)合作天(tian)格(ge)(ge)立(li)(li)方星——天(tian)宁星——载荷的(de)(de)地面试验(yan),预期于2022年3月发(fa)射。同时,火狐(hu)(hu)体(ti)育(yu)登陆天(tian)格(ge)(ge)小卫星团(tuan)(tuan)(tuan)队(dui)经过1年半的(de)(de)研发(fa)、设(she)(she)(she)计(ji)、实验(yan)论证,于2021年10月最终确定了(le)(le)(le)自主设(she)(she)(she)计(ji)的(de)(de)第(di)二颗立(li)(li)方星——应天(tian)星——的(de)(de)载荷设(she)(she)(she)计(ji)方案。该(gai)方案使用可编程逻(luo)辑门 (FPGA) 芯片替(ti)代原有(you)(you)的(de)(de)单片机(MCU)芯片,充(chong)分(fen)利用可编程逻(luo)辑的(de)(de)并行(xing)性、高性能和灵活性等(deng)特点。这个方案在本领(ling)域内具有(you)(you)前沿创(chuang)新性和独特性,充(chong)分(fen)体(ti)现了(le)(le)(le)了(le)(le)(le)以(yi)学(xue)生(sheng)为主体(ti)的(de)(de)小型项(xiang)目的(de)(de)灵活性和创(chuang)新性。

天格(ge)(ge)计划(hua)的(de)(de)主要科(ke)学观测(ce)目标(biao)是(shi)伽(jia)(jia)(jia)马(ma)(ma)射(she)线(xian)(xian)暴(bao)(bao)(bao)。宇宙伽(jia)(jia)(jia)马(ma)(ma)射(she)线(xian)(xian)暴(bao)(bao)(bao)是(shi)人类(lei)已(yi)知(zhi)最(zui)剧烈的(de)(de)天体物(wu)理(li)过程(cheng)之一(yi),是(shi)天体物(wu)理(li)领(ling)域的(de)(de)研究(jiu)前(qian)沿。2020年11月清华大学天格(ge)(ge)计划(hua)团(tuan)队(dui)研制(zhi)发射(she)的(de)(de)天格(ge)(ge)02星(xing)(xing)(xing)载荷成功开展持(chi)续科(ke)学观测(ce),已(yi)获得(de)首批几十例(li)伽(jia)(jia)(jia)马(ma)(ma)暴(bao)(bao)(bao)事(shi)(shi)例(li)的(de)(de)候选体。2021年1月21日,天格(ge)(ge)02星(xing)(xing)(xing)观测(ce)到GRB 210121A伽(jia)(jia)(jia)马(ma)(ma)暴(bao)(bao)(bao)事(shi)(shi)例(li)(图1),该事(shi)(shi)例(li)也被(bei)我国(guo)怀柔一(yi)号(GECAM,极目)卫(wei)星(xing)(xing)(xing)、慧眼(HXMT)卫(wei)星(xing)(xing)(xing)和美国(guo)费米(Fermi/GBM)卫(wei)星(xing)(xing)(xing)所确认(ren)。有(you)趣的(de)(de)是(shi),GRB 210121A在(zai)近万个伽(jia)(jia)(jia)马(ma)(ma)暴(bao)(bao)(bao)样本(ben)中(zhong)的(de)(de)统计分布中(zhong)处于(yu)很特殊的(de)(de)地位。其持(chi)续时间大约为(wei)13 秒,具(ju)有(you)明显的(de)(de)长暴(bao)(bao)(bao)特征(长于(yu)2s 的(de)(de)伽(jia)(jia)(jia)马(ma)(ma)暴(bao)(bao)(bao)被(bei)定义为(wei)长暴(bao)(bao)(bao))。通(tong)过使用(yong)截断(duan)幂率谱 (CPL; cutoff power-law) 模型对观测(ce)数(shu)(shu)据进(jin)行(xing)拟(ni)合,研究(jiu)团(tuan)队(dui)发现GRB 210121A的(de)(de)谱指数(shu)(shu)偏硬,高(gao)于(yu)同(tong)(tong)步辐射(she)限制(zhi)的(de)(de)低(di)能(neng)谱指数(shu)(shu)上限,此(ci)外其峰值能(neng)量(Ep)很硬,在(zai)第一(yi)个脉冲的(de)(de)时候由硬到软,但(dan)是(shi)即使在(zai)最(zui)后的(de)(de)爆发阶段也始终居(ju)高(gao)不下。高(gao)能(neng)量伽(jia)(jia)(jia)马(ma)(ma)射(she)线(xian)(xian)光子总是(shi)比(bi)低(di)能(neng)量光子更(geng)早(zao)到达,这一(yi)现象被(bei)称为(wei)谱延迟(Spectral lag),在(zai)GRB 210121A中(zhong)同(tong)(tong)样观测(ce)到这一(yi)现象,并且在(zai)相(xiang)对于(yu)ΔE 的(de)(de)图像中(zhong)显现出(chu)一(yi)个拐点,这一(yi)现象有(you)可能(neng)用(yong)于(yu)对洛伦兹破缺效应的(de)(de)限制(zhi)。

研(yan)究团队(dui)进(jin)一步(bu)通(tong)过该伽(jia)马(ma)暴的(de)(de)(de)(de)谱(pu)指数(shu)初步(bu)判断其(qi)属于光球(qiu)(qiu)模(mo)型(xing),利用(yong)多色黑(hei)体的(de)(de)(de)(de)模(mo)型(xing)进(jin)行(xing)拟合得到了(le)(le)很好的(de)(de)(de)(de)效果。理(li)论上伽(jia)马(ma)暴的(de)(de)(de)(de)峰值能(neng)量(liang)应小(xiao)于等于黑(hei)体所释放(fang)的(de)(de)(de)(de)最大(da)能(neng)量(liang),通(tong)过这(zhei)一限(xian)制可(ke)以求出光球(qiu)(qiu)模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)(de)半径范围(wei),利用(yong)物(wu)理(li)的(de)(de)(de)(de)光球(qiu)(qiu)模(mo)型(xing)对(dui)GRB 210121A进(jin)行(xing)拟合,得到其(qi)半径为几百千米,正好处在光球(qiu)(qiu)模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)(de)半径限(xian)制内(nei),同时这(zhei)一模(mo)型(xing)也限(xian)制了(le)(le)该伽(jia)马(ma)暴的(de)(de)(de)(de)红移(yi)位(wei)于0.14到0.46的(de)(de)(de)(de)范围(wei)内(nei)。通(tong)过Ep-Eiso的(de)(de)(de)(de)统计相关(guan)关(guan)系,研(yan)究团队(dui)限(xian)制了(le)(le)其(qi)红移(yi)应位(wei)于0.3到3.0的(de)(de)(de)(de)范围(wei)内(nei)。此(ci)外再(zai)结合GECAM、HXMT、GRID等卫星以及IPN所给出的(de)(de)(de)(de)定位(wei)信(xin)息,在星表中(zhong)对(dui)GRB 210121A的(de)(de)(de)(de)宿主星系进(jin)行(xing)了(le)(le)证认,仅有SuperCOSMOS星表中(zhong)的(de)(de)(de)(de)J010725.95−461928.8星系能(neng)够(gou)满足上述(shu)限(xian)制,其(qi)红移(yi)为0.319。研(yan)究团队(dui)随后使(shi)用(yong)LasCumbres天文台全球(qiu)(qiu)望远镜(jing)网络对(dui)该宿主星系进(jin)行(xing)了(le)(le)后随观测,在观测图像(xiang)中(zhong)该宿主星系候选者清晰可(ke)见,从而进(jin)一步(bu)证实了(le)(le)本文的(de)(de)(de)(de)结论。

本研(yan)究工作由(you)火(huo)狐体育硕(shuo)士研(yan)究生王翔煜领衔(xian)完(wan)成,清华大学(xue)(xue)天格(ge)团队郑煦韬同(tong)学(xue)(xue)、中(zhong)科(ke)院高能物(wu)理(li)研(yan)究所肖硕(shuo)同(tong)学(xue)(xue)等分别带领研(yan)究团队合(he)作完(wan)成了(le)(le)GRID-02、GECAM、HXMT等科(ke)学(xue)(xue)数据的(de)分析处理(li)。火(huo)狐体育登陆多个(ge)院系(xi)的(de)多位(wei)本科(ke)生和研(yan)究生参与了(le)(le)相关(guan)的(de)科(ke)学(xue)(xue)分析,包括杨俊(天(tian)文(wen)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)博(bo)士(shi)研(yan)(yan)究(jiu)生(sheng))、刘子(zi)科(ke)(ke)(ke)(ke)(天(tian)文(wen)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)硕士(shi)研(yan)(yan)究(jiu)生(sheng))、杨雨(yu)涵(天(tian)文(wen)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)博(bo)士(shi)研(yan)(yan)究(jiu)生(sheng))、邹金(jin)航(天(tian)文(wen)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)联合(he)培养硕士(shi)研(yan)(yan)究(jiu)生(sheng))、陈国银(天(tian)文(wen)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)本科(ke)(ke)(ke)(ke)生(sheng))、倪阳(天(tian)文(wen)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)本科(ke)(ke)(ke)(ke)生(sheng))、张(zhang)子(zi)键(天(tian)文(wen)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)本科(ke)(ke)(ke)(ke)生(sheng))、吴雨(yu)暄(天(tian)文(wen)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)本科(ke)(ke)(ke)(ke)生(sheng))、邓云未(天(tian)文(wen)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)本科(ke)(ke)(ke)(ke)生(sheng))、马永(yong)昶 (天(tian)文(wen)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)本科(ke)(ke)(ke)(ke)生(sheng))、蒙延(yan)智(天(tian)文(wen)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)博(bo)士(shi)后),王培源(匡(kuang)亚(ya)明(ming)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)本科(ke)(ke)(ke)(ke)生(sheng))、许晟(天(tian)文(wen)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)本科(ke)(ke)(ke)(ke)生(sheng)) 、尹一涵(物理(li)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)本科(ke)(ke)(ke)(ke)生(sheng))、张(zhang)廷(ting)钧(匡(kuang)亚(ya)明(ming)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)本科(ke)(ke)(ke)(ke)生(sheng))、张(zhang)钊(天(tian)文(wen)学院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)硕士(shi)研(yan)(yan)究(jiu)生(sheng))等(deng) 。火狐体育(yu)登陆(lu)张(zhang)彬彬老师、清(qing)华大(da)学曾(ceng)鸣老师、中科(ke)(ke)(ke)(ke)院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)高能物理(li)所的(de)熊少林老师为该文(wen)的(de)通讯作(zuo)者。清(qing)华大(da)学、中科(ke)(ke)(ke)(ke)院(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)高能物理(li)所、河北(bei)师范大(da)学、广西(xi)大(da)学等(deng)多(duo)位专家(jia)学者共同参与了(le)这(zhei)一研(yan)(yan)究(jiu)工(gong)(gong)作(zuo)。本工(gong)(gong)作(zuo)得到(dao)国家(jia)自然科(ke)(ke)(ke)(ke)学基金(jin)、科(ke)(ke)(ke)(ke)技(ji)部重点(dian)研(yan)(yan)发计(ji)划、江苏省双创计(ji)划、中央高校基本科(ke)(ke)(ke)(ke)研(yan)(yan)业务费(fei)专项(xiang)资金(jin)、双一流大(da)学建设经费(fei),火狐体育(yu)、以及火狐体育(yu)登陆(lu)双创办(ban)公室的(de)多(duo)项(xiang)基金(jin)和机构(gou)的(de)支(zhi)持(chi)。

(供稿:火狐体育登陆天(tian)格团队)


图 1 . 伽马射线暴 GRB 21021A的光变曲线。从上至下分别为天格GRID-02星、引(yin)力波(bo)暴高能(neng)电(dian)磁对应体全天监测(ce)器(qi)GECAM"极(ji)目"卫星、HXMT"慧眼"卫星,以及美(mei)国费米卫星GBM探测(ce)器(qi)的观测(ce)结(jie)果。取自(zi)Wang, X. I, et al, 2021, The Astrophysical Journal, 922, 237.


图 2: GRID-02卫(wei)星(xing)(xing)载荷探(tan)测器(上) 与 《Nuclear Science and Techniques》封面图:"天格计划(hua)"卫(wei)星(xing)(xing)载荷对来(lai)自深空(kong)伽(jia)马(ma)射线暴的探(tan)测(下)




论文链接:

Xiangyu Ivy Wang, Xutao Zheng, Shuo Xiao, et al,GRB 210121A: A Typical Fireball Burst Detected by Two Small Missions, 2021,The Astrophysical Journal,922,237, http://doi.org/10.3847/1538-4357/ac29bd

Jia-Xing Wen.,Xu-Tao Zheng, Jian-Dong Yu, et al. Compact CubeSat Gamma-ray detector for GRID mission. NUCL SCI TECH 32, 99 (2021). http://doi.org/10.1007/s41365-021-00937-4