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这个研究黑洞和中子星的利器,可能是有史以来中国发起并领导的最大型国际合作科研项目

科学大院

公众号ID:kexuedayuan

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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)。在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。那么,它到底是什么?能够带给我们哪些宇宙信息?快跟大院er去一探究竟吧!


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。


图1 eXTP卫星概念图


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,很可能是有史以来中国发起并领导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。


图2 eXTP卫星简图(图片来源:isdc.unige.ch)


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。


图3 黑洞(图片来源:spacetelescope.org)


图4 夸克星和中子星(图片来源:universe-review.ca)


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”。


图5 旗舰级空间天文台:哈勃空间望远镜(图片来源:nasa.gov)


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。


图6 中子星的双星系统(图片来源:nasa.gov)


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。


图7 中子星具有和太阳相当的质量和极高的密度(图片来源:slideshare.net)


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。


图8 “慧眼”卫星概念图(图片来源:cnsa.gov.cn)

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