天格计划:清华大学联合天仪研究院,将发射24颗立方星组网来研究引力波电磁对应体

2017.09 23



2017年9月21日上午,微小卫星太空实验服务商天仪研究院、清华大学天体物理中心在京联合举行“天格计划”新闻发布会。

“天格计划”是一项由清华大学与天仪研究院合作开展的一项引力波电磁对应体探测计划,该计划将在距离地面约600千米的不同轨道发射24颗微小卫星组成星座,从而组建空间分布式引力波暴电磁对应体探测网。“天格计划”都有哪些亮点?高校与商业航天机构的这一合作又将给我们带来哪些新的启示呢?下面就让我们一探究竟。



新闻发布会现场

“天格计划”:科学目标与技术方案

“天格计划”的目标是探测引力波暴在伽马射线波段的电磁对应体(而不是引力波,划重点),对理解极端条件下的天体物理过程具有重要意义。

引力波暴电磁对应体是伴随引力波暴发产生的电磁辐射。理论预言,中子星并和引力波暴事件具有电磁对应体,其电磁对应体在伽马射线波段的存在形式可能就是短伽马射线暴。LIGO对中子星并合引力波暴事件具有一定的探测能力,并且会随着LIGO的升级逐渐加强。

清华大学工程物理系及天体物理中心冯骅教授表示,与LIGO事件成协的伽马射线短暴具有明亮、稀有等特点,可以利用立方星平台搭载先进闪烁体探测器实现探测,通过卫星组网逐步实现全天覆盖,利用信号的时间延迟进行有效定位。

要实现对于短伽马暴的定位,至少需要3颗卫星接收到伽马暴。接收到伽马暴的卫星数量越多,定位的精度将越高。“天格计划”学生团队的模拟结果表明,在10个卫星共同定位、单个探测器直径为9 cm的情况下,定位精度可达0.1°到2°(90%置信度)。另一方面,由于地球的遮挡,单个伽马射线望远镜无法实现全天的观测。而“天格计划”的卫星一旦实现组网实现全天覆盖观测,将有效提高伽玛暴的探测效率。

酷炫到底的大学生科研项目

出乎很多人的意料,“天格计划”起初是一个学生科创作品。就在2017年4月9日,由来自清华大学工物、物理、航院等院系的同学组成的“天格计划”学生团队,凭借项目“空间分布式引力波暴电磁对应体探测网”,从86个作品中脱颖而出,夺得了清华大学第三十五届“挑战杯”学生课外学术科技作品竞赛特等奖。专家指出,该项目“紧密结合了伽马辐射探测的工物系本科基础知识和引力波电磁对应体探测的科学目标,很好地践行了理工结合的交叉创新”。

据悉,“天格计划”学生团队由来自工物系、物理系、航院和外文系等多个院系的30余名同学组成。工物系2013级本科生温家星任队长。物理系2013级本科生马司政、航院2014级本科生杨昊光和工物系2014级本科生杨东锌任小组组长,分别负责科学模拟论证、卫星平台和有效载荷等方面的工作。

冯骅教授是“天格计划”学生团队的主要指导教师。在他看来,基础科学研究可以很“酷”,这也是这一项目吸引到众多不同专业的同学的一大原因。大学生科研项目,一方面可以让学生接受到基本的科研训练,从而适应从课堂学习到科研第一线的转变;另一方面,像“天格计划”这样融合科学与工程技术的项目,也将为学生今后参加国家大科学工程奠定良好的基础。

商业航天进军引力波天文学研究领域

尽管商业航天机构开展空间科学实验已有先例,此次天仪研究院和清华大学天体物理中心合作开展引力波天文学的研究项目,在国内尚属首次。与许多商业航天公司不同,天仪研究院主要提供微小卫星平台等服务,而不是出售卫星。微小的立方星可以批量制造,加之几个不同用户的载荷可以集中到一个立方星上,这使得空间任务成本得到了有效降低。

立方星的概念最早由加州理工州立大学(California Polytechnic State University)的Jordi Puig-Suari和斯坦福大学的Bob Twiggs于1999年提出。标准的立方星由若干个单位(U)组成,每个单位的大小为10×10×11.35立方厘米,可以提供10×10×10立方厘米的有效容积,重量不超过1.33千克。



“天格联盟”呼之欲出

“天格计划”首颗技术验证星将于2017年底完成研制工作;计划在2018年年中,搭载快舟十一火箭,完成卫星发射入轨。

如果首颗技术验证星工作一切顺利,我们将可以期待初期的另外两颗卫星上天,以实现对短伽玛暴的定位功能。在2023年前,全部24颗空间伽马射线暴探测微小卫星将陆续入轨,组成卫星网络。

天仪研究院CEO杨峰表示,将以天仪研究院为工程任务总体,清华大学为科学任务总体和伽马射线暴探测的技术核心,联合国内外高校相关院系成立“天格联盟”,共同研制、开发伽马射线暴探测微小卫星;天仪研究院将为高校研制、开发标准6U立方星平台,协调运载发射,提供卫星后期的测控、数据接收等,卫星发射后,参与单位、机构将共享探测数据、资源。同时,天仪研究院也将积极联系国内外其他领域的科研机构,以伽马射线暴探测为主体、搭载其他空间探测、应用载荷;通过天仪研究院在商业航天领域的影响力,积极引入国内外投资机构参与到该计划中。

我们有理由相信,随着航天技术和商业航天机构的发展,未来的空间科学实验成本还会进一步降低。越来越多的青年学生和学者都将有机会参与空间科学任务,去触摸曾经遥不可及的梦想。