這個研究黑洞和中子星的利器，可能是有史以來中國發起並領導的最大型國際合作科研項目

點擊「國家空間科學中心」可以訂閱哦！

2018年3月，中科院啟動了增強型X射線時變與偏振天文台背景型號研究項目（enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission，簡稱eXTP）。在2025-2035年間，eXTP有望成為該領域國際領先的旗艦級X射線空間天文台。那麼，它到底是什麼？能夠帶給我們哪些宇宙信息？快來一探究竟吧！

eXTP是什麼？

eXTP是我國2017年6月15日成功發射的「慧眼」衛星的後續項目，也是一個研究黑洞、中子星的利器，顧名思義，它能夠對天體輻射出的X射線的時變和偏振進行測量，精細研究極端條件下的基本物理規律。

圖1 eXTP衛星概念圖

eXTP項目是由中國發起並領導的，主要由歐洲包括義大利、德國、瑞士、西班牙、法國等20多個空間天文發達國家的100多個研究院所參與，很可能是有史以來中國發起並領導的最大型國際合作科學研究項目，計劃於2025年左右發射升空。

eXTP空間天文台將載有中歐合作研製的四組高性能X射線天文儀器：能譜測量聚焦望遠鏡陣列（the Spectroscopic Focusing Array，SFA）、偏振測量聚焦望遠鏡陣列（the Polarimetry Focusing Array, PFA）、大面積準直型望遠鏡陣列（the Large Area Detector，LAD）、廣角監視器（the Wide Field Monitor），將實現大面積、高動態範圍、高信噪比的空間X射線「能譜—時變」與「時變—偏振」觀測。

其主要科學目標可概括為：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。

圖3 黑洞（圖片來源：spacetelescope.org）

圖4 夸克星和中子星（圖片來源：universe-review.ca）

旗艦級？到底有多高級？說eXTP是旗艦級，是緣於其強大的功能。一般的天文衛星科學目標和用戶團隊比較集中，在衛星發射之前就確定了研究目標和觀測計劃。而有些天文衛星就好像地面的天文台一樣，用戶來自於整個天文界的天文學家，其觀測目標和計劃主要由這些用戶提案，再經過專家評審來確定，這一類天文衛星被稱為空間天文台。

其中一些空間天文台規模特別大，衛星上面的科學儀器（望遠鏡）功能特彆強大，不但能夠滿足大量用戶的需求，而且科學壽命特別長，通常能夠在10年甚至更長的時期都能夠保持豐富的科學產出，比如大家熟悉的哈勃空間望遠鏡就是可見光波段的旗艦級空間天文台，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台，這三個天文台都是上個世紀發射運行的，至今依舊「炯炯有神」。

圖5 旗艦級空間天文台：哈勃空間望遠鏡（圖片來源：nasa.gov）

eXTP的科學目標涉及的範圍從基本物理規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生X射線的黑洞和中子星，而且也能夠捕捉並詳細觀測爆發天體。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的時候所產生的X射線，也就是引力波的電磁對應體。因此，eXTP配置的科學儀器非常先進，功能十分強大，預期在發射之後至少10年保持國際領先，將引領空間高能天體物理領域的發展，是名副其實的旗艦級天文台。

X射線天文望遠鏡能看到什麼

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

圖6 中子星的雙星系統（圖片來源：nasa.gov）

黑洞的觀測一向就是天文界比較熱門的領域，由於黑洞的附近物質溫度和密度比較高，產生的輻射主要在X射線波段，所以X射線觀測對於研究黑洞是非常重要的。實際上，幾乎所有的天體都會產生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，而且在整個天文學中也佔有非常重要的地位。

20世紀國際上就發射了一系列的X射線天文望遠鏡，比如60-70年代賈克尼團隊發射的X射線天文衛星，發現了一批黑洞和中子星，開創了人類觀測宇宙的新窗口，賈克尼於2002年因此獲得了諾貝爾物理學獎。包括90年代義大利和荷蘭共同研製和發射的BeppoSAX衛星，1999年美國NASA發射的錢德拉X射線天文台和歐空局的XMM-牛頓天文台，2012年美國發射的NuStar衛星，當然還有中國於2017年6月15號成功發射的「慧眼」天文衛星等，至今在太空運行的就有10顆X射線天文衛星！

eXTP還是空間實驗室！

除了發現各種會發射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麼，X射線天文衛星還能幹啥呢？

近、現代科學家們都是在實驗室裡面做各種科學實驗。在做了幾百年之後，科學家們發現，有些實驗條件無論如何都無法在實驗室里實現，於是科學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，可能在地球實驗室裡面永遠都無法實現；地球上能產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重達10億噸，和珠穆朗瑪峰差不多，這樣高密度的物質在地球實驗室當然也無法產生。

圖7 中子星具有和太陽相當的質量和極高的密度（圖片來源：slideshare.net）

所以極端磁場、引力和密度，在地球的實驗室中是無法實現的，只有在宇宙中天體上才能實現，我們通過觀測這些天體，以及不同天體中物質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律。

有了「慧眼」為什麼還需要eXTP

「慧眼」衛星於2017年6月15日在酒泉衛星發射中心發射升空，eXTP是「慧眼」衛星的後續項目，不但性能有至少一個數量級的提升，而且還有全新的觀測能力。「慧眼」衛星於90年代提出，她的成功發射使我國得以進入國際高能天體物理的觀測領域，而eXTP空間天文台的實施將使我國空間X射線天文學的研究進入國際領先行列。

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」衛星搭載了高、中、低能X射線望遠鏡，主要探測高、中、低能X射線並對伽馬射線暴進行監測。相較而言，eXTP的觀測能區不如「慧眼」衛星那麼寬，這是因為各自的科學目標不同所決定的。就探測性能來說，eXTP明顯優於「慧眼」衛星，其上偏振測量和聚焦望遠鏡是「慧眼」上完全沒有的功能，並且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緻。

eXTP和國際上同級別天文台有何不同

美國NASA的Chandra，歐空局的XMM-Newton，歐空局研製中的Athena（雅典娜）這三個都是國際上最為先進的大型X射線天文台，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的旗艦級天文台項目，科學目標互補，且各有特色。Chandra和XMM-Newton已經在軌運行近20年，eXTP和Athena是研製中的下一代空間天文台，較現有在軌衛星，主要科學能力均有顯著提升。eXTP和Athena相比，前者側重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律；後者側重能譜測量，主要研究超大質量黑洞以及宇宙演化。eXTP和Athena衛星的發射運行將開啟X射線天文學研究的新紀元。

來源：科學大院

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！