2018年7月4日，中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“空間科學(xué)（二期）”啟動會在國家空間科學(xué)中心召開，增強型X射線時變與偏振（eXTP）項目也在其中。

　　eXTP項目已于今年3月2日正式啟動了“深化”背景型號研究，而這次又啟動了“重大”背景型號研究，在“十三五”期間預(yù)算約4.7億人民幣開展從關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、國際合作協(xié)調(diào)、方案設(shè)計到部分初樣階段的研究和研制工作，將在“十四五”期間完成研制并于2025年左右發(fā)射升空。

　　eXTP是什么？

　　eXTP是我國2017年6月15日成功發(fā)射的“慧眼”衛(wèi)星的后續(xù)項目，也是一個研究黑洞、中子星的利器，顧名思義，它能夠?qū)μ祗w輻射出的X射線的時變和偏振進(jìn)行測量，精細(xì)研究極端條件下的基本物理規(guī)律。

　　eXTP項目是由中國發(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)的，主要由歐洲包括意大利、德國、瑞士、西班牙、法國、丹麥、捷克、波蘭、荷蘭等20多個空間天文發(fā)達(dá)國家與地區(qū)的100多個研究院所參與，很可能是有史以來中國發(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)的、由最多發(fā)達(dá)國家與地區(qū)做出實質(zhì)性貢獻(xiàn)的大型國際合作科學(xué)研究項目，計劃于2025年左右發(fā)射升空。

eXTP示意圖

　　eXTP空間天文臺將載有中歐合作研制的四組高性能X射線天文儀器：能譜測量聚焦望遠(yuǎn)鏡陣列（Spectroscopic Focusing Array，SFA）、偏振測量聚焦望遠(yuǎn)鏡陣列（Polarimetry Focusing Array, PFA）、大面積準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡陣列（Large Area Detector，LAD）、廣角監(jiān)視器（Wide Field Monitor），將實現(xiàn)大面積、高動態(tài)范圍、高信噪比的空間X射線“能譜—時變”與“時變—偏振”觀測。

eXTP衛(wèi)星載荷簡圖

　　其主要科學(xué)目標(biāo)可概括為：一奇二星三極端，一奇指的是黑洞，二星指的是中子星和夸克星，三極端指的是極端引力、密度和磁場。具體來說就是通過觀測黑洞奇點附近物質(zhì)和輻射的行為以及中子星附近的真空漲落的行為，同時觀測這些中子星是否實際是夸克星，來深入理解三極端條件下的物理規(guī)律，也就是把這些天體作為宇宙的物理實驗室開展在地球上無法實施的物理研究。

黑洞

夸克星和中子星

　　旗艦級？到底有多高級？

　　說eXTP是旗艦級，是緣于其強大的功能。一般的天文衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo)和用戶團隊比較集中，在衛(wèi)星發(fā)射之前就確定了研究目標(biāo)和觀測計劃。而有些天文衛(wèi)星就好像地面的天文臺一樣，用戶來自于整個天文界的天文學(xué)家，其觀測目標(biāo)和計劃主要由這些用戶提案，再經(jīng)過專家評審來確定，這一類天文衛(wèi)星被稱為空間天文臺。

　　其中一些空間天文臺規(guī)模特別大，衛(wèi)星上面的科學(xué)儀器（望遠(yuǎn)鏡）功能特別強大，不但能夠滿足大量用戶的需求，而且科學(xué)壽命特別長，通常能夠在10年甚至更長的時期都能夠保持豐富的科學(xué)產(chǎn)出，比如大家熟悉的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡就是可見光波段的旗艦級空間天文臺，而錢德拉（Chandra）和XMM-牛頓（XMM-Newton）則是X射線波段的旗艦級空間天文臺，這三個天文臺都是上個世紀(jì)發(fā)射運行的，至今依舊“炯炯有神”。

旗艦級空間天文臺：哈勃望遠(yuǎn)鏡

　　eXTP的科學(xué)目標(biāo)涉及的范圍從基本物理規(guī)律到宇宙中的各類天體的高能和極端活動。她不僅能夠觀測那些一直會產(chǎn)生X射線的黑洞和中子星，而且也能夠捕捉并詳細(xì)觀測爆發(fā)天體。同時它也是宇宙多信使觀測的主要儀器，比如可以用來探測引力波爆發(fā)的時候所產(chǎn)生的X射線，也就是引力波的電磁對應(yīng)體。

　　因此，eXTP配置的科學(xué)儀器非常先進(jìn)，功能十分強大，預(yù)期在發(fā)射之后至少10年保持國際領(lǐng)先，將引領(lǐng)空間高能天體物理領(lǐng)域的發(fā)展，是名副其實的旗艦級天文臺。

　　X射線天文望遠(yuǎn)鏡能看到什么？

　　為了避免大氣層對天文觀測的影響，人類向太空發(fā)射了一系列的空間望遠(yuǎn)鏡?？臻g望遠(yuǎn)鏡突破了地面望遠(yuǎn)鏡觀測僅限于特定波段的限制，可用來探測不同波段的電磁輻射。其探測和研究的目標(biāo)非常多：比如籠罩著天文界的兩朵烏云——暗物質(zhì)、暗能量，高能宇宙射線，致密天體和雙星系統(tǒng)如黑洞、中子星，還有伽馬射線，伽馬射線暴，引力波電磁對應(yīng)體等等。

　　黑洞的觀測一向就是天文界比較熱門的領(lǐng)域，由于黑洞的附近物質(zhì)溫度和密度比較高，產(chǎn)生的輻射主要在X射線波段，所以X射線觀測對于研究黑洞是非常重要的。實際上，幾乎所有的天體都會產(chǎn)生X射線輻射，只是強度和比例不同而已，因此X射線天文不但是研究天體極端條件下劇烈高能活動物理機制的主要探針，而且在整個天文學(xué)中也占有非常重要的地位。

　　20世紀(jì)國際上就發(fā)射了一系列的X射線天文望遠(yuǎn)鏡，比如60-70年代賈克尼團隊發(fā)射的X射線天文衛(wèi)星，發(fā)現(xiàn)了一批黑洞和中子星，開創(chuàng)了人類觀測宇宙的新窗口，賈克尼于2002年因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。包括90年代意大利和荷蘭共同研制和發(fā)射的BeppoSAX衛(wèi)星，1999年美國NASA發(fā)射的錢德拉X射線天文臺和歐空局的XMM-牛頓天文臺，2012年美國發(fā)射的NuStar衛(wèi)星，當(dāng)然還有中國于2017年6月15號成功發(fā)射的“慧眼”天文衛(wèi)星等，至今在太空運行的就有10顆X射線天文衛(wèi)星！

　　eXTP還是空間實驗室！

　　除了發(fā)現(xiàn)各種會發(fā)射X射線的天體、給這些天體拍照片、看看這些天體都在折騰什么，X射線天文衛(wèi)星還能干啥呢？

　　近、現(xiàn)代科學(xué)家們都是在實驗室里面做各種科學(xué)實驗。在做了幾百年之后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，有些實驗條件無論如何都無法在實驗室里實現(xiàn)，于是科學(xué)家們就想到了宇宙中的實驗室，即利用宇宙中的極端條件來完成科學(xué)實驗。

　　比如，地球的自然磁場大概為一個高斯，也就是萬分之一特斯拉，而地球上實驗室里能實現(xiàn)的最強磁場也不過十特斯拉左右，但是目前已知宇宙中最強的磁場是中子星表面的磁場，最弱也是上千特斯拉，最強超過了10億特斯拉，可能在地球?qū)嶒炇依锩嬗肋h(yuǎn)都無法實現(xiàn)；地球上能產(chǎn)生的最強引力就是地球的引力，和中子星以及黑洞附近的引力相比幾乎可以忽略不計；1立方厘米的中子星物質(zhì)重達(dá)10億噸，和珠穆朗瑪峰差不多，這樣高密度的物質(zhì)在地球?qū)嶒炇耶?dāng)然也無法產(chǎn)生。

　　所以極端磁場、引力和密度，在地球的實驗室中是無法實現(xiàn)的，只有在宇宙中天體上才能實現(xiàn)，我們通過觀測這些天體，以及不同天體中物質(zhì)及其輻射的行為來理解上面三種極端條件下的基本物理規(guī)律。

　　有了“慧眼”為什么還需要eXTP

　　“慧眼”衛(wèi)星于2017年6月15日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，eXTP是“慧眼”衛(wèi)星的后續(xù)項目，不但性能有至少一個數(shù)量級的提升，而且還有全新的觀測能力?！盎垩邸毙l(wèi)星于90年代提出，她的成功發(fā)射使我國得以進(jìn)入國際高能天體物理的觀測領(lǐng)域，而eXTP空間天文臺的實施將使我國空間X射線天文學(xué)的研究進(jìn)入國際領(lǐng)先行列。

慧眼衛(wèi)星示意圖

　　eXTP搭載了四個高性能探測載荷，主要探測中、低能X射線，而“慧眼”衛(wèi)星搭載了高、中、低能X射線望遠(yuǎn)鏡，主要探測高、中、低能X射線并對伽馬射線暴進(jìn)行監(jiān)測。相較而言，eXTP的觀測能區(qū)不如“慧眼”衛(wèi)星那么寬，這是因為各自的科學(xué)目標(biāo)不同所決定的。就探測性能來說，eXTP明顯優(yōu)于“慧眼”衛(wèi)星，其上偏振測量和聚焦望遠(yuǎn)鏡是“慧眼”上完全沒有的功能，并且eXTP在軟X射線能段的探測性能高出“慧眼”100多倍。二者都能觀測黑洞、中子星，但是eXTP可以觀測得更加全面細(xì)致。

　　eXTP和國際上同級別天文臺有何不同

　　美國NASA的Chandra，歐空局的XMM-Newton，歐空局研制中的Athena（雅典娜）這三個都是國際上最為先進(jìn)的大型X射線天文臺，那它們究竟各有何特色呢？ 　

　　從上表可以看出，eXTP，Chandra，XMM-Newton，Athena這四個世界上最先進(jìn)的旗艦級天文臺項目，科學(xué)目標(biāo)互補，且各有特色。Chandra和XMM-Newton已經(jīng)在軌運行近20年，eXTP和Athena是研制中的下一代空間天文臺，較現(xiàn)有在軌衛(wèi)星，主要科學(xué)能力均有顯著提升。eXTP和Athena相比，前者側(cè)重X射線的時變和偏振的測量，主要研究極端物理條件下的基本物理規(guī)律；后者側(cè)重能譜測量，主要研究超大質(zhì)量黑洞以及宇宙演化。eXTP和Athena衛(wèi)星的發(fā)射運行將開啟X射線天文學(xué)研究的新紀(jì)元。

　　項目背景

　　上個世紀(jì)60年代，天文學(xué)家開始通過探空火箭和高空氣球?qū)μ祗w進(jìn)行的X射線天文觀測；70年代，美國發(fā)射第一顆X射線天文衛(wèi)星UHURU，標(biāo)志著X射線天文學(xué)的正式誕生。經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，這一學(xué)科已經(jīng)成為認(rèn)識極端宇宙的主要途徑之一。

　　國際X射線天文的發(fā)展有“看得更遠(yuǎn)和更清”和“看得更精和更準(zhǔn)”兩個方向。前者主要是通過提高望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率和靈敏度，擴大認(rèn)識宇宙的范圍，認(rèn)識宇宙的組成、大尺度結(jié)構(gòu)和演化；而后者的實現(xiàn)主要是通過加大有效探測面積和高性能焦平面探測器，以便得到更短時標(biāo)的時空結(jié)構(gòu)和更多物理量的精確測量。

　　從1977年開始，通過高空氣球載硬X射線觀測、載人航天工程空間天文實驗，特別是慧眼（HXMT）衛(wèi)星的研制和運行，中國的X射線天文學(xué)取得了長足的進(jìn)步，在科學(xué)研究、硬件技術(shù)和人員隊伍等方面打下了堅實的基礎(chǔ)，在國際上占有了重要的一席之地。

　　2007年，高能所牽頭提出了X射線時變與偏振探測衛(wèi)星（X-ray Timing and Polarimetry，簡稱XTP）建議，作為HXMT衛(wèi)星的后續(xù)任務(wù)，將實現(xiàn)從具有特色的小型空間天文臺到國際領(lǐng)先的大型空間天文臺的戰(zhàn)略突破。

　　2009-2011年，XTP獲得中國科學(xué)院創(chuàng)新方向性項目“空間科學(xué)預(yù)先研究項目”的支持，進(jìn)行科學(xué)目標(biāo)的初步分析和載荷關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，確定了基本的載荷配置方案。2012-2016年，XTP背景型號獲得空間科學(xué)先導(dǎo)專項一期支持，在預(yù)先研究的基礎(chǔ)上結(jié)合載荷關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，科學(xué)目標(biāo)研究和物理分析模擬分析、衛(wèi)星總體方案研究的情況，確定最終的有效載荷和衛(wèi)星方案，完成衛(wèi)星可行性論證。為XTP在“十三五”進(jìn)入衛(wèi)星工程研制奠定基礎(chǔ)。

　　在背景型號研究過程當(dāng)中，XTP團隊主動尋求與國際科學(xué)家的儀器團隊的合作。經(jīng)過3年多的溝通和討論，由于歐洲航天局（ESA）Cosmic Vision計劃M3階段候選項目之一歐洲原大型X射線時變天文臺（Large Observatory For X-rayTiming, 簡稱LOFT）衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)和XTP基本一致，但是技術(shù)路線完全互補，因此2014年其團隊集體加入了XTP項目，并計劃貢獻(xiàn)大面積X射線準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡和廣角監(jiān)視器，形成了增強型XTP概念（enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission），即eXTP。

　　eXTP重要時間節(jié)點和未來計劃

　　2009年11月，XTP預(yù)先研究課題開題；

　　2012年5月，XTP預(yù)先研究課題順利結(jié)題；

　　2012年10月，XTP背景型號研究課題順利開題；

　　2016年5月30日， XTP背景型號研究課題順利通過結(jié)題驗收；

　　2017年12月18日， eXTP “深化”背景型號研究獲批入選空間科學(xué)先導(dǎo)二期背景型號第一批課題，為期一年；

　　2018年3月1日，eXT“深化”背景型號研究課題通過開題評審；

　　2018年3月2日， eXTP“深化”背景型號課題啟動會在國家空間科學(xué)中心召開；

　　2018年7月4日，宣布空間科學(xué)先導(dǎo)二期包括eXTP“重大”背景型號預(yù)算；

　　2018年底：eXTP“深化”背景型號研究結(jié)題，完成Phase A+；

　　2019年初-2019年底：開始eXTP“重大”背景型號，完成eXTP Phase B（方案階段）；

　　2020年初-2020年底：完成eXTP Phase C1 （初樣第一階段），完成eXTP“重大”背景型號；

　　2021年初-2022年中：完成eXTP Phase C2 （初樣第二階段）；

　　2022年中-2024年底：完成eXTP Phase D （飛行正樣階段）；

　　2025年初-2025年中：測試發(fā)射；

　　2025年中-2025年底：在軌測試和標(biāo)定；

　　2026年初-2030年底：科學(xué)運行；

　　2031年初-2035年底：科學(xué)運行延壽。