（温馨提示：本文3166个字，阅读完需要约10分钟）2020年12月10日凌晨4点14分，中国航天科技集团的“长十一”固体火箭成功升空，然后以“一箭双星”的模式将中国科学院高能物理研究所与中国科学院的微小卫星创新研究院联合研制的GECAM卫星成功送入轨道。这件大事立即被国内众多媒体报道，并引起很多人的朋友圈被刷屏。
图：长十一火箭点火升空的情景 来源：中国科学院国家空间科学中心
GECAM是英文缩写，它的全称是“引力波暴高能电磁对应体全天监测器”，其英文全称则是Gravitational wave high-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor。一口气念完却没有犯晕的，一定是我们圈子里面的人。对于更多圈外的读者，看了这个名称后有点迷糊：又是引力波，又是高能电磁对应体，又是全天，又是监测器，这大概是名称最复杂的科学仪器之一了。如果要逐一分析这些概念，将会产生很多枝节，我们就先介绍一类特殊的系统，这也就是这个卫星字面意义上最关注的系统。
图：GECAM的两个卫星与探测对象的艺术想象图。来源：中国科学院高能物理研究所
一颗质量超过8个太阳质量的恒星在演化到末期时，其命运是多种多样的。有的在核心压出中子星，外部物质被喷发出去，成为壮观的超新星。有的直接收缩为黑洞。有的炸得如同风吹鸡蛋壳，啥都不剩。于是，我们先接触到“中子星”与“黑洞”这两个概念。中子星的典型质量为太阳的1.4倍，最大的可以达到太阳2倍左右。但中子星的半径却非常小，只有10千米左右。质量越大的中子星，半径反而越小。黑洞更加极端——根据当前的理论，每个黑洞的所有质量都凝聚在一个无穷小的点上面，从这个中心点向外眼神一定距离，其内即使以光的速度，也无法逃脱，看上去就是一片黑暗森林。但是，大自然会以更加奇葩的方式震撼人类。如果大质量恒星成对产生、它们先后死亡后留下的都是中子星或黑洞、而且都继续绕着共同的中心像驴子拉磨一样运动，那么这样的双星系统就有三种组合：双黑洞系统、双中子星系统、黑洞-中子星系统。这三类系统在绕着中心运动时，都会发出引力波。引力波携带了能量。根据能量守恒定律，系统自然要损失能量。结果就是系统的轨道不断缩小，最后并合在一起，成为新的黑洞或者新的中子星。实际上，地球围绕太阳转，也会发出引力波。但人们紧盯着上面说的那三类更稀奇得多的系统，是因为那些系统如果比较“近”（天文上的近，一般指的是几亿光年以内），在临近并合时（“旋近”）、并合时（“并合”）与并合后不久（“铃宕”，ringdown的音译）发出的引力波就会被地球上的引力波探测器探测到。
根据爱因斯坦的理论，时间和空间构成一个整体，时空，而物质会将周围的时空压弯，压弯的程度用弯曲率表示，简称“曲率”。在满足某些条件时，弯曲率会向外传播，就像你在平静的湖面投下一颗石头，一开始只是在石头落水的地方产生水波，但此后水波会向外传播，让平静的水面荡起层层涟漪。
图：双中子星系统围绕共同的中心旋转并产生引力波的艺术想象图。引力波是无法用肉眼看到的，图中的涟漪是艺术效果。来源：NASA/Goddard Space Flight Center要让时空弯曲非常难，要想让时空荡起涟漪，更难。所以，只到2015年，由加州理工学院与麻省理工学院主导的激光干涉引力波天文台 (LIGO) 才直接探测到引力波信号，这段信号是一对双黑洞系统在并合前后的很短时间内发出的。这也是人类首次直接探测到引力波。
图：双黑洞系统“旋近”阶段的艺术想象图。来源：LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)2017年，LIGO探测到中子星-中子星系统发出的引力波。这也是人类首次探测到双中子星系统发出的引力波。
图：两颗中子星开始并合的艺术想象图，来源：NASA/Swift/Dana Berry
上面已经讲了黑洞/中子星系统发出的引力波。那么，“引力波高能电磁对应体”是什么？是这样的，中子星-中子星并合或者中子星-黑洞并合后，要么形成超大质量的中子星，要么形成黑洞，并甩出一些中子星的碎片，一部分碎片重新回落、堆积为一个盘，构成“黑洞-吸积盘”系统。新形成的中子星或者黑洞-吸积盘系统都有可能发出“喷流”，喷流内部的复杂过程会激发出伽玛射线，持续时间往往只有几毫秒到几百毫秒，少数会超过1秒甚至100秒，它们就是“伽玛射线暴”，且属于“短暴”。简言之，中子星-中子星/黑洞系统不仅会在并合前后形成引力波，还会在并合后形成伽玛射线暴。因此，人们就可以称这样的伽玛射线暴为“引力波高能电磁对应体”。其实你也可以把这样的引力波称为“伽玛射线暴的引力波对应体”，但谁让引力波这几年实在太火了呢？2017年，LIGO探测到双中子星并合产生的引力波的几乎同时，NASA的伽玛射线卫星Fermi探测到伴随这个引力波的伽玛射线暴。地面望远镜则观测到中子星碎片物质发出的可见光与红外线辐射——“千新星”。引力波首次参与到“多信使”天文学之中。这些发展使得引力波成为天文领域的超级新宠，方兴未艾。所以，如果有人说“引力波的光学对应体”，那其实就是双中子星系统或者中子星-黑洞系统并合后产生的千新星。如果有人说“引力波的高能电磁对应体”，那就是这两类系统并合后产生的伽玛射线暴。
很多望远镜或者卫星都有一个“视场”，就是每次能够看到的区域的大小。但GECAM却是几乎像足球一样的探测器（见开头部分的艺术想象图），除了部分区域被平台所挡之外，大部分区域都可以接收信号。两个卫星配合，几乎可以无死角监测来自宇宙各方向的伽玛射线辐射，当然包括伽玛射线暴，更包括作为“引力波高能电磁对应体”的那些伽玛射线暴。不过，必须提及的是，这样的全天监测模式其实在50多年前就有了。当时，美国和苏联冷战，为了防止对方在月球、太空与水下做核试验，双方签订了条约。为防止苏联违背条约，美国军方研制并发射了Vela卫星，用来监测太空中的核爆炸发出的伽玛射线。Vela卫星有6对，从1963年到1970年之间先后升空。为了精确定位出伽玛射线的入射方向，每一代的Vela卫星都是成对地被发射到太空，然后分离，分布在不同位置。Vela 卫星是典型的多面体探测器。
图：在洁净间内的第五代Vela卫星，Vela 5A/B，火箭将它们发射到空中后，它们将分离，位于不同位置。来源：Los Alamos National Laboratory1967年7月2日，第三代与第四代Vela卫星都探测到一阵伽玛射线，经过分析，研究人员证明这不是苏联人的核试验发出的伽玛射线，而是来自外太空的伽玛射线。这样的事件被称为“伽玛射线暴”。1973 年，Vela项目的科学家发表论文，公开了这个结果。Vela也因此成为首次发现伽玛射线暴的仪器。这次，中科院的GECAM也是成对地发射到太空中。但几十年来，技术发展实在太大，GECAM 探测伽玛射线源的能力自然超过Vela很多。不过，作为先行者，Vela 值得被世人铭记。最后，热烈祝贺GECAM卫星成功升空，祝愿它们获得大量重要结果。附：根据《中国科学》杂志社公众号的专辑的介绍（见：https://mp.weixin.qq.com/s/Kz6FpTpTDUSyxwcmXAZcfg），GECAM卫星的探测重点之一是近距离的双中子星系统、黑洞-中子星系统并合产生的伽玛射线暴（它们是这些系统发出的引力波的高能电磁对应体），但还可以探测更远得多的伽玛射线辐射、可能伴随快速射电暴的伽玛射线暴、太阳发出的伽玛射线辐射甚至地球的伽玛射线辐射。
讨论：细心的读者可能会发现，GECAM的中文名称中有“暴”，而英文中却没有“暴”的对应单词“burst”。其实，黑洞/中子星系统在互相靠近的长达几亿年以上的过程中，一直在发射引力波。但绝大部分时间内，它们无法被探测到，是因为频率低于探测器的探测敏感频率。就像次声波再强，你也听不到；红外线再强，你也看不到。引力波专家、曾经为LIGO小组成员的范锡龙教授几年前在一次会议上说：不能说那是引力波暴，只能说是引力波，因为那些系统发出的引力波长时间都有，只是最后阶段才被探测到。作为对比，中子星-中子星系统或中子星-黑洞系统并合后产生的伽玛射线暴倒是无可争议的“暴”，它们大多数真的很短。对于这些系统产生的引力波是不是“引力波暴”，大家有什么看法，欢迎留言讨论（最后这句话表明，作者已经中了老营销号的毒了。）编辑：王茹茹
文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表22篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。
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