GECAM

GECAM, Akronym für Gravitational wave high-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor (chinesisch 引力波暴高能电磁对应体全天监测器) ist ein Projekt des Schwerpunktlabors für Astroteilchenphysik am Institut für Hochenergiephysik und des Nationalen Zentrums für Weltraumwissenschaften der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zur Erforschung der Quellen von Gravitationswellen mittels zweier kleiner Satelliten von jeweils 163 kg, die an gegenüberliegenden Stellen einer identischen Umlaufbahn um die Erde kreisen.[2][3] Die Satelliten wurden am 9. Dezember 2020 mit einer Trägerrakete vom Typ Changzheng 11 vom Kosmodrom Xichang in Sichuan gestartet.[4] Chefwissenschaftler des Projekts ist Xiong Shaolin (熊少林) vom Schwerpunktlabor für Astroteilchenphysik.[5][6]

GECAM A, B
Typ: Forschungssatelliten
Land: China Volksrepublik Volksrepublik China
Betreiber: Chinesische Akademie der Wissenschaften
COSPAR-ID: 2020-094A, 2020-094B
Missionsdaten[1]
Masse: 2× 163 kg
Start: 9. Dezember 2020, 20:14 (UTC)
Startplatz: Kosmodrom Xichang
Trägerrakete: Langer Marsch 11
Betriebsdauer: 3 Jahre (geplant)
Status: aktiv
Bahndaten[2]
Bahnhöhe: 600 km
Bahnneigung: 29°

Geschichte

Am 11. Februar 2016 berichteten Forscher der LIGO-Gruppe über die erste erfolgreiche direkte Messung von Gravitationswellen am 14. September 2015, die bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher erzeugt worden waren (Katalogbezeichnung GW150914).[7] Kurz nach der Veröffentlichung, gleich im März 2016, schlug das Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften vor,[5] zwei Satelliten mit Detektoren für elektromagnetische Signale an zwei gegenüberliegenden Stellen eines identischen Orbits um die Erde kreisen zu lassen. Aus einer Höhe von 600 km könnten die beiden Satelliten mit überlappenden Sichtfeldern das Weltall lückenlos überwachen.[8] Die Satelliten sollten in Zusammenarbeit mit dem LIGO-Observatorium, das mit Laser-Interferometern die Gravitationswellen misst, die nachfolgend auftretenden kurzen energiereichen Ereignisse wie Gammablitze beobachten, die beim Verschmelzen zweier Schwarzen Löcher, zweier Neutronensterne und möglicherweise auch eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern auftreten. Diese Ereignisse werden auch als „elektromagnetische Gegenstücke“ (electromagnetic counterpart) der Gravitationswellen bezeichnet.[9]

Eine Machbarkeitsstudie wurde ausgearbeitet und auf einer Versammlung im April 2017 zur Diskussion gestellt. Bereits damals wurde das Projekt von den eingeladenen Experten positiv bewertet. Am 17. August 2017, zwei Wochen nachdem der französisch-italienische Gravitationswellendetektor Virgo in Cascina nach mehrjähriger Pause wieder in Betrieb genommen worden war, registrierten dieser zusammen mit den beiden LIGO-Observatorien in Hanford und Livingston das bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne entstandene Gravitationswellensignal GW170817. Nur 1,7 Sekunden später wurde vom Fermi Gamma-ray Space Telescope dessen elektromagnetisches Gegenstück, ein von einer Kilonova in der Galaxie NGC 4993 kommender Gammablitz (Katalogbezeichnung GRB 170817A) aufgezeichnet.[10] In den folgenden Tagen beobachteten insgesamt 70 Observatorien das Nachglühen des Ereignisses im sichtbaren Licht sowie bei Infrarot-, Röntgen- und Radiowellenlängen (Katalogbezeichnung AT 2017gfo).[11] In einer daraufhin überarbeiteten Version des Satellitenkonzepts schlug das Institut für Hochenergiephysik nun Virgo als weitere Partnereinrichtung vor. Im November 2017 wurde das neue Konzept von einer Expertenkommission gebilligt.

Am 19. März 2018 f​and unter d​em Vorsitz v​on Wang Chi, d​em Direktor d​es Nationalen Zentrums für Weltraumwissenschaften, d​ie finale Begutachtung d​es Projekts statt. Experten v​on der Tsinghua-Universität, d​em Zentrum für Projekte u​nd Technologien z​ur Nutzung d​es Weltalls, d​em Astronomischen Observatorium Xinjiang u​nd zahlreichen weiteren Institutionen k​amen nach eingehender Beratung z​u dem Schluss, d​ass GECAM technisch machbar war, e​in klar definiertes Ziel hatte, u​nd der Ansatz d​er gleichzeitigen, flächendeckenden Beobachtung m​it zwei Satelliten d​ie Wissenschaft wesentlich voranbrachte. Damit erfüllte d​as Projekt d​ie Förderrichtlinien,[5] u​nd im Dezember 2018 genehmigte d​ie Akademie d​er Wissenschaften s​eine Finanzierung a​us Mitteln d​es Weltraumwissenschaftlichen Prioritätsprogramms.[2]

Im März 2019 wurde am Institut für Hochenergiephysik und der Innovationsakademie für Mikrosatelliten der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Shanghai[4] unter der Leitung von Wu Ji vom Zentrum für Weltraumwissenschaften mit dem Bau eines Prototyps der Nutzlastkuppel begonnen. Im August 2019 waren die Tests der elektronischen Systeme abgeschlossen, und Anfang September jenen Jahres wurde die Nutzlastkuppel an die Chinesische Akademie für Weltraumtechnologie übergeben, wo sie auf einen Prototyp des Satelliten montiert und weiteren Tests unterzogen wurde. Am 4. November 2019 waren diese erfolgreich abgeschlossen. Während der Prototyp des Satelliten bei CAST Kälte und Vakuum ausgesetzt wurde, wurde mit dem Bau der für den Einsatz bestimmten Kuppeln begonnen, der im Mai 2020 abgeschlossen war.[12] Am 14. November 2020 brach eine Gruppe von Wissenschaftlern des Instituts für Hochenergiephysik zum Kosmodrom Xichang auf, um dort die letzten Tests vor dem Start durchzuführen.[13]

Aufbau

Jeder der beiden, jeweils 163 kg schweren Satelliten, die in einer um 29° zum Äquator geneigten Umlaufbahn von 600 km Höhe um die Erde kreisen, trägt eine halbkugelförmige, beim Einsatz von der Erde wegzeigende Nutzlastkuppel mit 25 Detektoren für Gammastrahlung und 8 Detektoren für Ladungsträger. Die Detektoren sind für einen Energiebereich von 6 keV bis 5 MeV ausgelegt, ihre Empfindlichkeit liegt bei 2−8 erg/cm²/s. Mit den Laser-Interferometern, die die Observatorien in Italien und den USA verwenden, um das eigentliche Gravitationsereignis zu registrieren, ist es schwierig, den genauen Herkunftsort der Wellen zu bestimmen. Hier spielen die GECAM-Satelliten eine entscheidende Rolle. Durch die Verteilung der Sensoren über die gesamte Oberfläche der Kuppel ist es möglich, den Ursprung des Gammablitzes, der kurz auf die Gravitationswelle folgt,[14] bis auf 1° genau zu lokalisieren. So können die Wissenschaftler mit einer unabhängigen Methode die Galaxie identifizieren, wo sich ein von LIGO und Virgo registriertes Gravitationswellen-Ereignis abspielte.[3] Mit 6 keV liegt der Anfang des effektiven Messbereichs der Detektoren niedriger als der des GLAST Burst Monitors auf dem Fermi-Teleskop (10 keV) oder des Burst-Alert-Teleskops auf dem Swift-Satelliten (15 keV). Das macht GECAM ideal zur Beobachtung von Ereignissen wie des Gammablitzes GRB 170817A (siehe oben).

Wenn d​ie Satelliten e​inen Gammablitz registrieren, informieren s​ie über d​en Kurznachrichtendienst d​es chinesischen Satellitennavigationssystems Beidou sofort d​as Satellitenkontrollzentrum Xi’an über Zeitpunkt, Richtung u​nd Lichtkurve d​es Ereignisses. Xi’an informiert, ebenfalls über d​en Kurznachrichtendienst, d​as Bodensegment d​es Projekts i​m Nationalen Zentrum für Weltraumwissenschaften. Dieses informiert wiederum d​as Institut für Hochenergiephysik, d​as seinerseits über s​ein eigenes Netzwerk d​ie Observatorien i​n aller Welt über d​as Ereignis i​n Kenntnis setzt. So ist, wenige Minuten nachdem d​ie Satelliten e​inen Gammablitz registriert haben, d​ie wissenschaftliche Gemeinde informiert u​nd kann d​as über e​inen Zeitraum v​on mehreren Tagen folgende Nachglühen d​es Ereignisses i​n den langwelligeren Bereichen d​es Spektrums beobachten.[14] Einige Stunden später werden d​ie genauen Daten desjenigen Satelliten veröffentlicht, d​er das Ereignis zuerst beobachtet hat. Nach g​ut zehn Stunden folgen d​ann die m​it dem zweiten Satelliten abgeglichenen Daten.[2]

Wissenschaftliche Ziele

Neben den Gammablitzen sollen die GECAM-Satelliten auch andere Gegenstücke von Gravitationswellen beobachten, so zum Beispiel Fast Radio Bursts oder hochenergetische Neutrinos.[15] Die Forscher hoffen, in Zusammenarbeit mit LIGO und Virgo mehrere Gravitationswellen-Ereignisse pro Jahr registrieren zu können. Für eine optimale Nutzung der Satelliten während ihrer geplanten Betriebsdauer von drei Jahren[1] will man sich aber auch mit von Hypernovas ausgesandten Röntgenblitzen, Pulsaren, Magnetaren, Tidal Disruption Events, Sonneneruptionen[16] und terrestrischen Gammablitzen befassen.[2]

Erstmals wurde am 20. Januar 2021 um 07:10:49 Uhr UTC von GECAM B ein Gammablitz registriert, parallel zum Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA (07:10:44), ein 20 Sekunden dauerndes Ereignis, das die Bezeichnung GRB 210120A erhielt.[17] 60 Sekunden später hatte das Bodensegment in Peking über Beidou die erste Kurznachricht erhalten. Im Laufe der folgenden 10 Minuten folgten weitere Daten über Lichtkurve etc., die sofort an die anderen Observatorien weitergeleitet wurden. Da sich dieses Informationssystem bei dieser Gelegenheit bewährt hatte, beabsichtigen das Institut für Hochenergiephysik und das Nationale Zentrum für Weltraumwissenschaften, es auch in die in Entwicklung befindlichen Röntgensatelliten Einstein Probe und Enhanced X-ray Timing and Polarimetry zu integrieren.[18]

Siehe auch

Einzelnachweise
  1. 长征十一号 • 引力波暴高能电磁对应体全天监测器双星 • 中科院空间科学战略先导科技专项（二期）首发星 • Long March-11 • Gravitational wave high-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor. In: spaceflightfans.cn. 15. November 2020, abgerufen am 8. Dezember 2020 (chinesisch).
  2. Zheng Shijie und Xiong Shaolin: The status of GECAM mission. (PDF; 2,8 MB) In: spaceflightfans.cn. Abgerufen am 25. November 2020 (englisch).
  3. Fan Quanlin: Current and Future Space Science Missions in China. (PDF; 3,9 MB) In: unoosa.org. 25. März 2019, S. 17, abgerufen am 25. November 2020 (englisch).
  4. 王涑: 又来了一个“双11” 长十一火箭11战连胜 “一箭双星”圆满成功. In: mp.weixin.qq.com. 9. Dezember 2020, abgerufen am 10. Dezember 2020 (chinesisch).
  5. 引力波暴高能电磁对应体全天监测器（GECAM）科学目标通过评审. In: nssc.cas.cn. 22. März 2018, abgerufen am 25. November 2020 (chinesisch).
  6. 熊少林. In: ihep.cas.cn. 9. Januar 2019, abgerufen am 25. November 2020 (chinesisch).
  7. Benjamin P. Abbott et al.: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. (PDF; 914 KB) In: dcc.ligo.org. 11. Februar 2016, abgerufen am 25. November 2020 (englisch).
  8. Gunter Dirk Krebs: GECAM A, B (KX 08A, 08B). In: space.skyrocket.de. Abgerufen am 27. November 2020 (englisch).
  9. Lü Pin, Sun Xilei und Xiong Shaolin: A Novel Gamma-ray Detector for Gravitational Wave Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor (GECAM). (PDF; 814 KB) In: indico.ihep.ac.cn. 24. Mai 2017, abgerufen am 27. November 2020 (englisch).
  10. Gravitationswellen und Gamma-Strahlen von verschmelzenden Neutronensternen: GW170817 und GRB 170817A. (PDF; 518 KB) In: ligo.org. Abgerufen am 25. November 2020.
  11. GECAM双星计划：捕捉引力波高能辐射的天网. In: ihep.cas.cn. 5. Juli 2018, abgerufen am 25. November 2020 (chinesisch).
  12. GECAM卫星有效载荷通过初样研制总结暨转正样评审. In: ihep.cas.cn. 8. November 2019, abgerufen am 27. November 2020 (chinesisch).
  13. GECAM卫星有效载荷试验分队及科学应用试验队成立暨进场动员会在京举行. In: ihep.cas.cn. 17. November 2020, abgerufen am 27. November 2020 (chinesisch).
  14. Xin Ling: China unveils plans for two new gravitational-wave missions. In: physicsworld.com. 11. Juli 2018, abgerufen am 28. November 2020 (englisch).
  15. Eli Waxman und John Bahcall: High Energy Neutrinos from Cosmological Gamma-Ray Burst Fireballs. In: arxiv.org. 30. Januar 1997, abgerufen am 27. November 2020 (englisch).
  16. 李国利、朱霄雄: 我国成功发射引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星. In: xinhuanet.com. 10. Dezember 2020, abgerufen am 10. Dezember 2020 (chinesisch).
  17. Xiong Shaolin et al.: GECAM In-Flight Trigger of GRB 210120A. In: gcn.gsfc.nasa.gov. 20. Januar 2021, abgerufen am 28. Januar 2021 (englisch).
  18. 刘义阳: 北斗再立新功！“极目”卫星准实时下传伽马暴观测警报. In: spaceflightfans.cn. 28. Januar 2021, abgerufen am 28. Januar 2021 (chinesisch).
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