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清华大学“天格计划”卫星载荷探测到首个伽马射线暴,首批科学成果发布

2021-12-08 09:58     来源:清华新闻网     伽马射线宇宙射线高能物理
清华大学“天格计划”学生团队GRID-02卫星载荷观测到首个宇宙伽马射线暴事例GRB 210121A,由南京大学天格团队与清华大学天格团队的同学合作完成了天格观测数据的处理和物理分析,这是天格计划首个正式发表的伽马暴科学观测结果,也是国际上同类纳卫星伽马暴探测项目中,首例取得科学发现和论文发表的伽马暴事例,证明该类微纳卫星在空间天文粒子探测、前沿天文科学观测等方面具有广阔的应用前景。

近日,“天格计划”陆续发布了首批科学成果。宇宙伽马射线暴事例GRB 210121A及其物理分析的论文12月3日在线发表在美国《天体物理学报》(The Astrophysical Journal)上。此前,清华大学天格团队卫星载荷探测器研制的工作,也作为封面论文发表于9月份出版的《核科学与技术》(Nuclear Science and Techniques)上。目前,天格计划GRID-02首批科学数据已汇交国家空间科学数据中心接收,未来将对科学界保持开放共享。


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、怀柔一号(GECAM,极目)卫星、慧眼(HXMT)卫星,以及美国费米(Fermi/GBM)卫星的观测结果。取自Wang, X. I, et al, 2021, The Astrophysical Journal, 922, 237.

天格计划的主要科学观测目标是伽马射线暴。宇宙伽马射线暴是人类已知最剧烈的天体物理过程之一,是天体物理领域的研究前沿。2020年11月清华大学天格计划学生团队研制发射的GRID-02卫星载荷成功开展持续科学观测,已获得首批几十例伽马暴事例的候选体。2021年1月21日,天格GRID-02观测到GRB 210121A伽马暴事例,该事例也被我国怀柔一号(GECAM,极目)卫星、慧眼(HXMT)卫星和美国费米(Fermi/GBM)卫星所确认。伽马暴的瞬时辐射机制仍未知,目前有两类主流模型,一是相对论火球模型,另一类是由磁能释放主导的同步辐射模型。这次暴发表现出典型的火球模型特征,有力地支撑了前者。研究团队还通过综合多个卫星观测的结果对该事件的红移进行了估计,使用了LasCumbres天文台全球望远镜网络对这一事件进行了后随观测,发现了这个暴发可能的宿主星系。南京大学天格团队王翔煜同学、清华大学天格团队郑煦韬同学、中科院高能物理研究所肖硕同学等分别带领研究团队合作完成了GRID-02、GECAM、HXMT等科学数据的分析处理。

成功开展此次伽马暴观测的GRID-02卫星载荷由清华大学“天格计划”学生团队研制,载荷采用GAGG:Ce新型闪烁晶体和SiPM硅光电倍增器件实现了紧凑型空间伽马射线探测器。GRID-02卫星载荷探测器从设计研制、性能标定到在轨科学观测,是天格计划学生团队在导师们指导下的针对同一个科学问题、几代本科生的持续努力的结果:硬件设计和科学报告源于温家星(2013级本科,工物系)、龙翔云(2015级本科,物理系)等GRID-01的工作;郑煦韬(2014级本科,工物系)等完成载荷固件研发和硬件改进;高怀众(2016级本科,工物系)、潘晓凡(2017级本科,工物系)等完成了探测器调试与性能标定;张羽翀(2018级本科,物理系)、彭浩玮(2019级本科,物理系)等自主编制遥测指令开展了在轨科学观测,徐大成(2018级本科,工物系)、刘亦晖(2019级本科,工物系)等编写Pipeline程序完成观测数据处理。2021年9月,天格计划探测器载荷研制工作的论文“天格计划的紧凑型立方星伽马射线探测器”(Compact CubeSat Gamma-ray detector for GRID mission)作为封面论文发表于《核科学与技术》,GRID-02载荷的成功研制与严格标定为此次GRB 210121A事例的联合科学分析奠定了基础。


GRID-02卫星载荷探测器


图2: GRID-02卫星载荷探测器 与 《Nuclear Science and Techniques》封面图:“天格计划”卫星载荷对来自深空伽马 射线暴的探测

“天格计划”是一个以本科生学生团队为主体的空间科学项目,以寻找与引力波、快速射电暴成协的伽马暴及其他高能天体物理瞬变源为主要科学目标,2016年由清华大学工程物理系和天文系共同发起,由工物系副教授曾鸣、天文系教授冯骅、工物系研究员曾志、工物系助理研究员田阳等共同指导,目前有南京大学、中科院高能所等20余所高校和研究所共同参与合作。“天格计划”在清华大学校团委和科研院的支持下,持续探索“科教融合”的基础科学拔尖人才培养。接下来,清华大学“天格计划”学生团队还将得到清华-昆山学生创新创业人才培养合作协议的支持,择机发射GRID-03B和GRID-04卫星载荷;南京大学、北京师范大学等高校天格学生团队也将完成卫星载荷的研制调试。

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