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eXTP空间天文台:或为中国有史以来最大的国际科学合作项目
2018-07-05 | 文章来源: | 浏览次数:  |

  2018年7月4日,中国科学院战略性先导科技专项“空间科学(二期)”启动会在国家空间科学中心召开,增强型X射线时变与偏振(eXTP)项目也在其中。

  eXTP项目已于今年3月2日正式启动了“深化”背景型号研究,而这次又启动了“重大”背景型号研究,在“十三五”期间预算约4.7亿人民币开展从关键技术攻关、国际合作协调、方案设计到部分初样阶段的研究和研制工作,将在“十四五”期间完成研制并于2025年左右发射升空。

  eXTP是什么?

  eXTP是我国2017年6月15日成功发射的“慧眼”卫星的后续项目,也是一个研究黑洞、中子星的利器,顾名思义,它能够对天体辐射出的X射线的时变和偏振进行测量,精细研究极端条件下的基本物理规律。

  eXTP项目是由中国发起并领导的,主要由欧洲包括意大利、德国、瑞士、西班牙、法国、丹麦、捷克、波兰、荷兰等20多个空间天文发达国家与地区的100多个研究院所参与,很可能是有史以来中国发起并领导的、由最多发达国家与地区做出实质性贡献的大型国际合作科学研究项目,计划于2025年左右发射升空。

eXTP示意图

  eXTP空间天文台将载有中欧合作研制的四组高性能X射线天文仪器:能谱测量聚焦望远镜阵列(Spectroscopic Focusing Array,SFA)、偏振测量聚焦望远镜阵列(Polarimetry Focusing Array, PFA)、大面积准直型望远镜阵列(Large Area Detector,LAD)、广角监视器(Wide Field Monitor),将实现大面积、高动态范围、高信噪比的空间X射线“能谱—时变”与“时变—偏振”观测。

eXTP卫星载荷简图

  其主要科学目标可概括为:一奇二星三极端,一奇指的是黑洞,二星指的是中子星和夸克星,三极端指的是极端引力、密度和磁场。具体来说就是通过观测黑洞奇点附近物质和辐射的行为以及中子星附近的真空涨落的行为,同时观测这些中子星是否实际是夸克星,来深入理解三极端条件下的物理规律,也就是把这些天体作为宇宙的物理实验室开展在地球上无法实施的物理研究。

黑洞

夸克星和中子星

  旗舰级?到底有多高级?

  说eXTP是旗舰级,是缘于其强大的功能。一般的天文卫星科学目标和用户团队比较集中,在卫星发射之前就确定了研究目标和观测计划。而有些天文卫星就好像地面的天文台一样,用户来自于整个天文界的天文学家,其观测目标和计划主要由这些用户提案,再经过专家评审来确定,这一类天文卫星被称为空间天文台。

  其中一些空间天文台规模特别大,卫星上面的科学仪器(望远镜)功能特别强大,不但能够满足大量用户的需求,而且科学寿命特别长,通常能够在10年甚至更长的时期都能够保持丰富的科学产出,比如大家熟悉的哈勃空间望远镜就是可见光波段的旗舰级空间天文台,而钱德拉(Chandra)和XMM-牛顿(XMM-Newton)则是X射线波段的旗舰级空间天文台,这三个天文台都是上个世纪发射运行的,至今依旧“炯炯有神”。

旗舰级空间天文台:哈勃望远镜

  eXTP的科学目标涉及的范围从基本物理规律到宇宙中的各类天体的高能和极端活动。她不仅能够观测那些一直会产生X射线的黑洞和中子星,而且也能够捕捉并详细观测爆发天体。同时它也是宇宙多信使观测的主要仪器,比如可以用来探测引力波爆发的时候所产生的X射线,也就是引力波的电磁对应体。

  因此,eXTP配置的科学仪器非常先进,功能十分强大,预期在发射之后至少10年保持国际领先,将引领空间高能天体物理领域的发展,是名副其实的旗舰级天文台。

  X射线天文望远镜能看到什么?

  为了避免大气层对天文观测的影响,人类向太空发射了一系列的空间望远镜。空间望远镜突破了地面望远镜观测仅限于特定波段的限制,可用来探测不同波段的电磁辐射。其探测和研究的目标非常多:比如笼罩着天文界的两朵乌云——暗物质、暗能量,高能宇宙射线,致密天体和双星系统如黑洞、中子星,还有伽马射线,伽马射线暴,引力波电磁对应体等等。

  黑洞的观测一向就是天文界比较热门的领域,由于黑洞的附近物质温度和密度比较高,产生的辐射主要在X射线波段,所以X射线观测对于研究黑洞是非常重要的。实际上,几乎所有的天体都会产生X射线辐射,只是强度和比例不同而已,因此X射线天文不但是研究天体极端条件下剧烈高能活动物理机制的主要探针,而且在整个天文学中也占有非常重要的地位。

  20世纪国际上就发射了一系列的X射线天文望远镜,比如60-70年代贾克尼团队发射的X射线天文卫星,发现了一批黑洞和中子星,开创了人类观测宇宙的新窗口,贾克尼于2002年因此获得了诺贝尔物理学奖。包括90年代意大利和荷兰共同研制和发射的BeppoSAX卫星,1999年美国NASA发射的钱德拉X射线天文台和欧空局的XMM-牛顿天文台,2012年美国发射的NuStar卫星,当然还有中国于2017年6月15号成功发射的“慧眼”天文卫星等,至今在太空运行的就有10颗X射线天文卫星!

  eXTP还是空间实验室!

  除了发现各种会发射X射线的天体、给这些天体拍照片、看看这些天体都在折腾什么,X射线天文卫星还能干啥呢?

  近、现代科学家们都是在实验室里面做各种科学实验。在做了几百年之后,科学家们发现,有些实验条件无论如何都无法在实验室里实现,于是科学家们就想到了宇宙中的实验室,即利用宇宙中的极端条件来完成科学实验。

  比如,地球的自然磁场大概为一个高斯,也就是万分之一特斯拉,而地球上实验室里能实现的最强磁场也不过十特斯拉左右,但是目前已知宇宙中最强的磁场是中子星表面的磁场,最弱也是上千特斯拉,最强超过了10亿特斯拉,可能在地球实验室里面永远都无法实现;地球上能产生的最强引力就是地球的引力,和中子星以及黑洞附近的引力相比几乎可以忽略不计;1立方厘米的中子星物质重达10亿吨,和珠穆朗玛峰差不多,这样高密度的物质在地球实验室当然也无法产生。

  所以极端磁场、引力和密度,在地球的实验室中是无法实现的,只有在宇宙中天体上才能实现,我们通过观测这些天体,以及不同天体中物质及其辐射的行为来理解上面三种极端条件下的基本物理规律。

  有了“慧眼”为什么还需要eXTP

  “慧眼”卫星于2017年6月15日在酒泉卫星发射中心发射升空,eXTP是“慧眼”卫星的后续项目,不但性能有至少一个数量级的提升,而且还有全新的观测能力。“慧眼”卫星于90年代提出,她的成功发射使我国得以进入国际高能天体物理的观测领域,而eXTP空间天文台的实施将使我国空间X射线天文学的研究进入国际领先行列。

慧眼卫星示意图

  eXTP搭载了四个高性能探测载荷,主要探测中、低能X射线,而“慧眼”卫星搭载了高、中、低能X射线望远镜,主要探测高、中、低能X射线并对伽马射线暴进行监测。相较而言,eXTP的观测能区不如“慧眼”卫星那么宽,这是因为各自的科学目标不同所决定的。就探测性能来说,eXTP明显优于“慧眼”卫星,其上偏振测量和聚焦望远镜是“慧眼”上完全没有的功能,并且eXTP在软X射线能段的探测性能高出“慧眼”100多倍。二者都能观测黑洞、中子星,但是eXTP可以观测得更加全面细致。

  eXTP和国际上同级别天文台有何不同

  美国NASA的Chandra,欧空局的XMM-Newton,欧空局研制中的Athena(雅典娜)这三个都是国际上最为先进的大型X射线天文台,那它们究竟各有何特色呢?  

 

  从上表可以看出,eXTP,Chandra,XMM-Newton,Athena这四个世界上最先进的旗舰级天文台项目,科学目标互补,且各有特色。Chandra和XMM-Newton已经在轨运行近20年,eXTP和Athena是研制中的下一代空间天文台,较现有在轨卫星,主要科学能力均有显著提升。eXTP和Athena相比,前者侧重X射线的时变和偏振的测量,主要研究极端物理条件下的基本物理规律;后者侧重能谱测量,主要研究超大质量黑洞以及宇宙演化。eXTP和Athena卫星的发射运行将开启X射线天文学研究的新纪元。

  项目背景

  上个世纪60年代,天文学家开始通过探空火箭和高空气球对天体进行的X射线天文观测;70年代,美国发射第一颗X射线天文卫星UHURU,标志着X射线天文学的正式诞生。经过半个世纪的发展,这一学科已经成为认识极端宇宙的主要途径之一。

  国际X射线天文的发展有“看得更远和更清”和“看得更精和更准”两个方向。前者主要是通过提高望远镜的空间分辨率和灵敏度,扩大认识宇宙的范围,认识宇宙的组成、大尺度结构和演化;而后者的实现主要是通过加大有效探测面积和高性能焦平面探测器,以便得到更短时标的时空结构和更多物理量的精确测量。

  从1977年开始,通过高空气球载硬X射线观测、载人航天工程空间天文实验,特别是慧眼(HXMT)卫星的研制和运行,中国的X射线天文学取得了长足的进步,在科学研究、硬件技术和人员队伍等方面打下了坚实的基础,在国际上占有了重要的一席之地。

  2007年,高能所牵头提出了X射线时变与偏振探测卫星(X-ray Timing and Polarimetry,简称XTP)建议,作为HXMT卫星的后续任务,将实现从具有特色的小型空间天文台到国际领先的大型空间天文台的战略突破。

  2009-2011年,XTP获得中国科学院创新方向性项目“空间科学预先研究项目”的支持,进行科学目标的初步分析和载荷关键技术攻关,确定了基本的载荷配置方案。2012-2016年,XTP背景型号获得空间科学先导专项一期支持,在预先研究的基础上结合载荷关键技术攻关,科学目标研究和物理分析模拟分析、卫星总体方案研究的情况,确定最终的有效载荷和卫星方案,完成卫星可行性论证。为XTP在“十三五”进入卫星工程研制奠定基础。

  在背景型号研究过程当中,XTP团队主动寻求与国际科学家的仪器团队的合作。经过3年多的沟通和讨论,由于欧洲航天局(ESA)Cosmic Vision计划M3阶段候选项目之一欧洲原大型X射线时变天文台(Large Observatory For X-rayTiming, 简称LOFT)卫星的科学目标和XTP基本一致,但是技术路线完全互补,因此2014年其团队集体加入了XTP项目,并计划贡献大面积X射线准直型望远镜和广角监视器,形成了增强型XTP概念(enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission),即eXTP。

  eXTP重要时间节点和未来计划

  2009年11月,XTP预先研究课题开题;

  2012年5月,XTP预先研究课题顺利结题;

  2012年10月,XTP背景型号研究课题顺利开题;

  2016年5月30日, XTP背景型号研究课题顺利通过结题验收;

  2017年12月18日, eXTP “深化”背景型号研究获批入选空间科学先导二期背景型号第一批课题,为期一年;

  2018年3月1日,eXT“深化”背景型号研究课题通过开题评审;

  2018年3月2日, eXTP“深化”背景型号课题启动会在国家空间科学中心召开;

  2018年7月4日,宣布空间科学先导二期包括eXTP“重大”背景型号预算;

  2018年底:eXTP“深化”背景型号研究结题,完成Phase A+;

  2019年初-2019年底:开始eXTP“重大”背景型号,完成eXTP Phase B(方案阶段);

  2020年初-2020年底:完成eXTP Phase C1 (初样第一阶段),完成eXTP“重大”背景型号;

  2021年初-2022年中:完成eXTP Phase C2 (初样第二阶段);

  2022年中-2024年底:完成eXTP Phase D (飞行正样阶段);

  2025年初-2025年中:测试发射;

  2025年中-2025年底:在轨测试和标定;

  2026年初-2030年底:科学运行;

  2031年初-2035年底:科学运行延寿。      


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