“慧眼”卫星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。

2018年3月,中科院启动了增强型X射线时变与偏振天文台背景型号研究项目(enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission,简称eXTP)。

  • 到2025-2035年间,eXTP有望成为该领域国际领先的旗舰级X射线空间天文台

注意这里面的几个关键词,旗舰级、空间天文台。

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)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”。

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。它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,因此,我们说它有望成为该领域国际领先的旗舰级X射线空间天文台。

  • 使我国空间X射线天文学的研究进入国际领先行列

早在20世纪,国际上就开始发射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;还有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;以及进入到21世纪,在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,仅仍在太空运行的就有10颗X射线天文卫星。

那么,我们是哪来的勇气说,eXTP能让我国空间X射线天文学研究进入国际领先行列呢?

(1)和“慧眼”比,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。

张小平:中国下一代 X 射线空间天文台项目,和「慧眼」相比有哪些进步和突破,将给中国天文学带来哪些影响?这个问题下, @张小平 老师也有很好的回答~

(2)和国际上同级别天文台比,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。

来个粗暴的表格直接对比下科学目标和主要特色。

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。

  • 很可能是有史以来中国发起并领导的最大型国际合作科学研究项目

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、法国等20多个空间天文发达国家的100多个研究院所参与,计划于2025年左右发射升空。

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(the Spectroscopic Focusing Array,SFA)

偏振测量聚焦望远镜阵列(the Polarimetry Focusing Array, PFA)

大面积准直型望远镜阵列(the Large Area Detector,LAD)

广角监视器(the 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。

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。

最后,每一个大的科学工程的推动,背后都充满我们难以想象的复杂和艰辛,祝这个项目能一路顺利~

作者:中国科学院高能物理研究所 刘红薇

出品:科学大院

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来源:知乎 www.zhihu.com

作者:中国科普博览

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