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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(ge)计划的(de)(de)GRID-02天(tian)文立方(fang)星载荷观测到(dao)的(de)(de)宇宙(zhou)伽马射(she)线暴事例GRB 210121A及其物理分析的(de)(de)论文在(zai)(zai)线发(fa)表在(zai)(zai)《美国天(tian)体物理学报(bao)》(The Astrophysical Journal)上。南(nan)京大(da)学(xue)与(yu)清(qing)华大(da)学(xue)天(tian)格团队合作完成了(le)这次天(tian)格观(guan)测数据(ju)的处理(li)和物(wu)理(li)分(fen)析(xi)这是天格计划首篇(pian)正式发表的伽马暴(bao)科学观测结(jie)果,也是国际(ji)(ji)上(shang)同类微(wei)纳(na)(na)卫星(xing)(指质量小于10千克(ke)、具有实际(ji)(ji)使用功能的(de)卫星(xing))伽马暴(bao)探(tan)测(ce)(ce)项目中(zhong),首例取(qu)得科(ke)学发现和论文发表的(de)伽马暴(bao)事例。这(zhei)项工作表明(ming)该类微(wei)纳(na)(na)卫星(xing)在空间天(tian)文粒子探(tan)测(ce)(ce)、前沿(yan)天(tian)文科(ke)学观测(ce)(ce)等方面具有广阔的(de)应(ying)用前景。

"天(tian)格计划"是一个以本科生(sheng)学生(sheng)团队(dui)为主体的空间(jian)科学项目(mu),其(qi)主要科学目(mu)标为寻(xun)找与引力波、快(kuai)速(su)射电暴(bao)成协的伽马暴(bao)以及其(qi)它高能(neng)天(tian)体物理瞬变源(yuan)。其(qi)特(te)(te)色(se)是利用立方(fang)星(xing)(xing)(xing)(xing)(分米级别的(de)小卫星(xing)(xing)(xing)(xing)模块)平台,搭建由多个小卫星(xing)(xing)(xing)(xing)组(zu)(zu)成的(de)全天伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)射(she)(she)线(xian)(xian)暴(bao)(bao)(bao)监(jian)视网络,用以探(tan)(tan)测(ce)和定位(wei)伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)射(she)(she)线(xian)(xian)暴(bao)(bao)(bao)等天体瞬变源。相比于(yu)综合(he)型(xing)、高功(gong)率(lv)的(de)大(da)(da)型(xing)卫星(xing)(xing)(xing)(xing),如美(mei)国航空航天局(NASA)将于(yu)2021年底发(fa)射(she)(she)的(de)质量(liang)高达6.2吨、成本已逾数百亿美(mei)元的(de)詹姆(mu)斯·韦伯空间望(wang)远镜(JWST),立方(fang)星(xing)(xing)(xing)(xing)具(ju)有模块化(hua)、低(di)成本、短(duan)周期的(de)特(te)(te)点,能(neng)够实(shi)(shi)现大(da)(da)卫星(xing)(xing)(xing)(xing)无法(fa)实(shi)(shi)现的(de)快速发(fa)射(she)(she)、多颗(ke)组(zu)(zu)网、全天覆盖(gai),还(hai)可以降(jiang)低(di)风险与(yu)成本。天格(ge)计划预计利用10-24颗(ke)立方(fang)星(xing)(xing)(xing)(xing)在(zai)500-600公里的(de)近(jin)地轨道进行组(zu)(zu)网,在(zai)2018~2023年内(nei)逐(zhu)步完成。这一(yi)方(fang)案(an)能(neng)够实(shi)(shi)现对短(duan)伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)射(she)(she)线(xian)(xian)暴(bao)(bao)(bao)真正的(de)全天覆盖(gai)探(tan)(tan)测(ce),并可通过时间延(yan)迟(chi)和流强调制的(de)方(fang)式实(shi)(shi)现有效定位(wei),可保(bao)证(zheng)不(bu)错过任何一(yi)次与(yu)引力波(bo)暴(bao)(bao)(bao)发(fa)成协的(de)短(duan)伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)射(she)(she)线(xian)(xian)暴(bao)(bao)(bao),有着重要的(de)科学意义。

2016年,天(tian)(tian)格计(ji)划由清华大学(xue)(xue)工程(cheng)物理系和(he)天(tian)(tian)文系共(gong)(gong)同(tong)发起(qi),目前(qian)有南(nan)京(jing)大学(xue)(xue)、中(zhong)科院高(gao)能所(suo)(suo)等20余所(suo)(suo)高(gao)校(xiao)和(he)研究所(suo)(suo)共(gong)(gong)同(tong)参(can)与合作(zuo)。南(nan)京(jing)大学(xue)(xue)、北京(jing)师范大学(xue)(xue)等高(gao)校(xiao)的天(tian)(tian)格团队也将(jiang)完成(cheng)卫(wei)星载(zai)荷的研发调试。截至目前(qian),天(tian)(tian)格计(ji)划已于2018年10月(yue)(yue)、2020年11月(yue)(yue)和(he)12月(yue)(yue)分别发射了三(san)颗天(tian)(tian)格卫(wei)星。天(tian)(tian)格02星(GRID-02,见图2) 已积(ji)累了5个月(yue)(yue)的科学(xue)(xue)数据(ju),其首批科学(xue)(xue)数据(ju)已被国家(jia)空间科学(xue)(xue)数据(ju)中(zhong)心接收(shou),未(wei)来将(jiang)对(dui)科学(xue)(xue)界保(bao)持开放(fang)共(gong)(gong)享。

南京大学(xue)天(tian)(tian)格(ge)(ge)团(tuan)队自2018年(nian)成(cheng)立以(yi)来,在(zai)江苏省双创计划、yabo88vip登(deng)陆、南京大学(xue)双创办公(gong)室等(deng)的(de)(de)(de)有力(li)支(zhi)持下(xia),成(cheng)立了(le)(le)创新(xin)团(tuan)队,充分(fen)发(fa)挥团(tuan)队的(de)(de)(de)天(tian)(tian)文专业优势,开发(fa)了(le)(le)科学(xue)数据产品分(fen)析的(de)(de)(de)流程管线(xian)(pipeline),设(she)(she)置了(le)(le)富(fu)有特(te)色(se)的(de)(de)(de)科创融合(he)课程,展开对小(xiao)卫星(xing)探(tan)测器(qi)的(de)(de)(de)研发(fa)。目前(qian)(qian),南大天(tian)(tian)格(ge)(ge)团(tuan)队已(yi)经成(cheng)功完成(cheng)了(le)(le)首颗南大-川大合(he)作天(tian)(tian)格(ge)(ge)立方(fang)星(xing)——天(tian)(tian)宁星(xing)——载荷的(de)(de)(de)地面试(shi)验,预期于2022年(nian)3月发(fa)射(she)。同时,南京大学(xue)天(tian)(tian)格(ge)(ge)小(xiao)卫星(xing)团(tuan)队经过1年(nian)半的(de)(de)(de)研发(fa)、设(she)(she)计、实验论证,于2021年(nian)10月最(zui)终(zhong)确定了(le)(le)自主(zhu)设(she)(she)计的(de)(de)(de)第(di)二颗立方(fang)星(xing)——应天(tian)(tian)星(xing)——的(de)(de)(de)载荷设(she)(she)计方(fang)案(an)(an)。该方(fang)案(an)(an)使用(yong)可编(bian)程逻(luo)辑门 (FPGA) 芯片替代(dai)原有的(de)(de)(de)单片机(MCU)芯片,充分(fen)利用(yong)可编(bian)程逻(luo)辑的(de)(de)(de)并行(xing)性、高性能和(he)灵活性等(deng)特(te)点。这个方(fang)案(an)(an)在(zai)本领域内具有前(qian)(qian)沿创新(xin)性和(he)独特(te)性,充分(fen)体现了(le)(le)了(le)(le)以(yi)学(xue)生为主(zhu)体的(de)(de)(de)小(xiao)型(xing)项(xiang)目的(de)(de)(de)灵活性和(he)创新(xin)性。

天(tian)(tian)(tian)(tian)格(ge)计划的(de)(de)(de)主(zhu)要科学(xue)观测(ce)(ce)目标是伽(jia)马(ma)(ma)射(she)线暴(bao)。宇(yu)宙伽(jia)马(ma)(ma)射(she)线暴(bao)是人类已知最剧(ju)烈(lie)的(de)(de)(de)天(tian)(tian)(tian)(tian)体(ti)(ti)物理过(guo)程之一,是天(tian)(tian)(tian)(tian)体(ti)(ti)物理领域的(de)(de)(de)研究(jiu)前沿。2020年11月清(qing)华(hua)大学(xue)天(tian)(tian)(tian)(tian)格(ge)计划团队研制(zhi)发射(she)的(de)(de)(de)天(tian)(tian)(tian)(tian)格(ge)02星(xing)载荷成功开展持(chi)续科学(xue)观测(ce)(ce),已获(huo)得(de)首批(pi)几十例(li)(li)伽(jia)马(ma)(ma)暴(bao)事(shi)(shi)例(li)(li)的(de)(de)(de)候选体(ti)(ti)。2021年1月21日,天(tian)(tian)(tian)(tian)格(ge)02星(xing)观测(ce)(ce)到(dao)(dao)GRB 210121A伽(jia)马(ma)(ma)暴(bao)事(shi)(shi)例(li)(li)(图1),该事(shi)(shi)例(li)(li)也被(bei)我国(guo)怀柔一号(GECAM,极目)卫(wei)星(xing)、慧眼(HXMT)卫(wei)星(xing)和(he)美国(guo)费米(Fermi/GBM)卫(wei)星(xing)所确(que)认。有(you)趣的(de)(de)(de)是,GRB 210121A在近万个伽(jia)马(ma)(ma)暴(bao)样本(ben)中(zhong)的(de)(de)(de)统计分布中(zhong)处于(yu)很特殊的(de)(de)(de)地位。其持(chi)续时(shi)(shi)间(jian)大约为13 秒,具有(you)明显(xian)的(de)(de)(de)长(zhang)暴(bao)特征(长(zhang)于(yu)2s 的(de)(de)(de)伽(jia)马(ma)(ma)暴(bao)被(bei)定义为长(zhang)暴(bao))。通过(guo)使用(yong)截断幂率谱 (CPL; cutoff power-law) 模型对观测(ce)(ce)数据进行拟合,研究(jiu)团队发现(xian)GRB 210121A的(de)(de)(de)谱指数偏硬(ying),高(gao)于(yu)同步辐射(she)限(xian)制(zhi)的(de)(de)(de)低(di)能(neng)(neng)谱指数上限(xian),此外其峰值(zhi)能(neng)(neng)量(Ep)很硬(ying),在第一个脉冲的(de)(de)(de)时(shi)(shi)候由硬(ying)到(dao)(dao)软(ruan),但是即使在最后的(de)(de)(de)爆(bao)发阶段也始终居高(gao)不(bu)下(xia)。高(gao)能(neng)(neng)量伽(jia)马(ma)(ma)射(she)线光(guang)子总是比低(di)能(neng)(neng)量光(guang)子更(geng)早到(dao)(dao)达,这一现(xian)象(xiang)被(bei)称为谱延(yan)迟(Spectral lag),在GRB 210121A中(zhong)同样观测(ce)(ce)到(dao)(dao)这一现(xian)象(xiang),并且在相(xiang)对于(yu)ΔE 的(de)(de)(de)图像(xiang)中(zhong)显(xian)现(xian)出(chu)一个拐点,这一现(xian)象(xiang)有(you)可(ke)能(neng)(neng)用(yong)于(yu)对洛(luo)伦兹破缺效(xiao)应的(de)(de)(de)限(xian)制(zhi)。

研究团(tuan)队进一(yi)步通(tong)过(guo)该(gai)(gai)伽(jia)(jia)马暴的(de)(de)谱指数初步判断(duan)其(qi)属于(yu)(yu)光球(qiu)模(mo)型(xing)(xing),利用多色黑体的(de)(de)模(mo)型(xing)(xing)进行(xing)拟合(he)(he)得(de)到(dao)了(le)(le)很好的(de)(de)效(xiao)果。理(li)(li)论上(shang)伽(jia)(jia)马暴的(de)(de)峰值能量应小于(yu)(yu)等于(yu)(yu)黑体所释放的(de)(de)最大能量,通(tong)过(guo)这一(yi)限(xian)(xian)制(zhi)(zhi)可以求(qiu)出(chu)光球(qiu)模(mo)型(xing)(xing)的(de)(de)半径范围,利用物(wu)理(li)(li)的(de)(de)光球(qiu)模(mo)型(xing)(xing)对(dui)(dui)GRB 210121A进行(xing)拟合(he)(he),得(de)到(dao)其(qi)半径为几(ji)百千米,正好处(chu)在光球(qiu)模(mo)型(xing)(xing)的(de)(de)半径限(xian)(xian)制(zhi)(zhi)内,同(tong)时这一(yi)模(mo)型(xing)(xing)也限(xian)(xian)制(zhi)(zhi)了(le)(le)该(gai)(gai)伽(jia)(jia)马暴的(de)(de)红(hong)移位(wei)于(yu)(yu)0.14到(dao)0.46的(de)(de)范围内。通(tong)过(guo)Ep-Eiso的(de)(de)统计(ji)相关关系(xi)(xi),研究团(tuan)队限(xian)(xian)制(zhi)(zhi)了(le)(le)其(qi)红(hong)移应位(wei)于(yu)(yu)0.3到(dao)3.0的(de)(de)范围内。此外再结(jie)合(he)(he)GECAM、HXMT、GRID等卫(wei)星(xing)以及IPN所给出(chu)的(de)(de)定位(wei)信(xin)息,在星(xing)表中对(dui)(dui)GRB 210121A的(de)(de)宿主星(xing)系(xi)(xi)进行(xing)了(le)(le)证认,仅有SuperCOSMOS星(xing)表中的(de)(de)J010725.95−461928.8星(xing)系(xi)(xi)能够满(man)足上(shang)述限(xian)(xian)制(zhi)(zhi),其(qi)红(hong)移为0.319。研究团(tuan)队随后(hou)使用LasCumbres天(tian)文台全(quan)球(qiu)望远镜网络对(dui)(dui)该(gai)(gai)宿主星(xing)系(xi)(xi)进行(xing)了(le)(le)后(hou)随观测,在观测图(tu)像中该(gai)(gai)宿主星(xing)系(xi)(xi)候选者清(qing)晰可见,从而进一(yi)步证实了(le)(le)本文的(de)(de)结(jie)论。

本研(yan)究(jiu)(jiu)工作由yabo88vip登陆硕士研(yan)究(jiu)(jiu)生王(wang)翔煜(yu)领衔完成(cheng),清华大学(xue)(xue)天格团(tuan)队(dui)郑煦(xu)韬同(tong)学(xue)(xue)、中(zhong)科院(yuan)高能(neng)物理研(yan)究(jiu)(jiu)所肖(xiao)硕同(tong)学(xue)(xue)等分别带领研(yan)究(jiu)(jiu)团(tuan)队(dui)合作完成(cheng)了GRID-02、GECAM、HXMT等科学(xue)(xue)数据的分析(xi)处理。南京(jing)大学(xue)(xue)多个院(yuan)系的多位本科生和研(yan)究(jiu)(jiu)生参与了相关的科学(xue)(xue)分析(xi),包括杨俊(jun)(天(tian)文(wen)(wen)(wen)(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)博(bo)士(shi)研(yan)究(jiu)生(sheng)(sheng)(sheng))、刘子科(ke)(天(tian)文(wen)(wen)(wen)(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)硕士(shi)研(yan)究(jiu)生(sheng)(sheng)(sheng))、杨雨(yu)涵(han)(天(tian)文(wen)(wen)(wen)(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)博(bo)士(shi)研(yan)究(jiu)生(sheng)(sheng)(sheng))、邹金航(天(tian)文(wen)(wen)(wen)(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)联合(he)培养硕士(shi)研(yan)究(jiu)生(sheng)(sheng)(sheng))、陈国(guo)银(yin)(天(tian)文(wen)(wen)(wen)(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)本(ben)(ben)科(ke)生(sheng)(sheng)(sheng))、倪阳(天(tian)文(wen)(wen)(wen)(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)本(ben)(ben)科(ke)生(sheng)(sheng)(sheng))、张(zhang)(zhang)子键(jian)(天(tian)文(wen)(wen)(wen)(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)本(ben)(ben)科(ke)生(sheng)(sheng)(sheng))、吴雨(yu)暄(天(tian)文(wen)(wen)(wen)(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)本(ben)(ben)科(ke)生(sheng)(sheng)(sheng))、邓云未(天(tian)文(wen)(wen)(wen)(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)本(ben)(ben)科(ke)生(sheng)(sheng)(sheng))、马永昶 (天(tian)文(wen)(wen)(wen)(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)本(ben)(ben)科(ke)生(sheng)(sheng)(sheng))、蒙延智(天(tian)文(wen)(wen)(wen)(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)博(bo)士(shi)后(hou)),王培源(匡亚(ya)明学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)本(ben)(ben)科(ke)生(sheng)(sheng)(sheng))、许晟(天(tian)文(wen)(wen)(wen)(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)本(ben)(ben)科(ke)生(sheng)(sheng)(sheng)) 、尹一(yi)涵(han)(物(wu)(wu)(wu)理学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)本(ben)(ben)科(ke)生(sheng)(sheng)(sheng))、张(zhang)(zhang)廷钧(匡亚(ya)明学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)本(ben)(ben)科(ke)生(sheng)(sheng)(sheng))、张(zhang)(zhang)钊(zhao)(天(tian)文(wen)(wen)(wen)(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)硕士(shi)研(yan)究(jiu)生(sheng)(sheng)(sheng))等(deng) 。南京大学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)张(zhang)(zhang)彬(bin)彬(bin)老师(shi)、清华大学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)曾鸣老师(shi)、中(zhong)科(ke)院(yuan)(yuan)(yuan)高(gao)(gao)能物(wu)(wu)(wu)理所的(de)熊少林(lin)老师(shi)为(wei)该文(wen)(wen)(wen)(wen)的(de)通讯作(zuo)者。清华大学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)、中(zhong)科(ke)院(yuan)(yuan)(yuan)高(gao)(gao)能物(wu)(wu)(wu)理所、河(he)北(bei)师(shi)范大学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)、广西大学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)等(deng)多(duo)位专家学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)者共同参与了这一(yi)研(yan)究(jiu)工作(zuo)。本(ben)(ben)工作(zuo)得到(dao)国(guo)家自(zi)然(ran)科(ke)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)基(ji)金、科(ke)技部重点研(yan)发计划(hua)、江苏省双(shuang)创计划(hua)、中(zhong)央(yang)高(gao)(gao)校基(ji)本(ben)(ben)科(ke)研(yan)业(ye)务(wu)费专项资(zi)金、双(shuang)一(yi)流(liu)大学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)建设经费,yabo88vip登陆、以(yi)及南京大学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)双(shuang)创办(ban)公室的(de)多(duo)项基(ji)金和机构(gou)的(de)支持(chi)。

(供(gong)稿:南京大学天(tian)格团队)


图 1 . 伽马(ma)射线(xian)暴 GRB 21021A的(de)光变曲(qu)线(xian)。从(cong)上至下分别(bie)为天(tian)格(ge)GRID-02星(xing)(xing)、引力波(bo)暴高能电磁对应体全天(tian)监测(ce)(ce)器GECAM"极目"卫(wei)星(xing)(xing)、HXMT"慧眼"卫(wei)星(xing)(xing),以及美国费米卫(wei)星(xing)(xing)GBM探测(ce)(ce)器的(de)观(guan)测(ce)(ce)结果。取(qu)自Wang, X. I, et al, 2021, The Astrophysical Journal, 922, 237.


图 2: GRID-02卫星(xing)载(zai)荷(he)探(tan)测(ce)器(qi)(上) 与 《Nuclear Science and Techniques》封面图:"天格计(ji)划"卫星(xing)载(zai)荷(he)对来(lai)自深空伽马射线暴的探(tan)测(ce)(下)




论文(wen)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