2018年7月4日，中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)“空間科學(xué)（二期）”啟動(dòng)會(huì)在國(guó)家空間科學(xué)中心召開(kāi)，增強(qiáng)型X射線(xiàn)時(shí)變與偏振（eXTP）項(xiàng)目也在其中。

　　eXTP項(xiàng)目已于今年3月2日正式啟動(dòng)了“深化”背景型號(hào)研究，而這次又啟動(dòng)了“重大”背景型號(hào)研究，在“十三五”期間預(yù)算約4.7億人民幣開(kāi)展從關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、國(guó)際合作協(xié)調(diào)、方案設(shè)計(jì)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(guó)2017年6月15日成功發(fā)射的“慧眼”衛(wèi)星的后續(xù)項(xiàng)目，也是一個(gè)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(xiàn)的時(shí)變和偏振進(jìn)行測(cè)量，精細(xì)研究極端條件下的基本物理規(guī)律。

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

eXTP示意圖

　　eXTP空間天文臺(tái)將載有中歐合作研制的四組高性能X射線(xiàn)天文儀器：能譜測(cè)量聚焦望遠(yuǎn)鏡陣列（Spectroscopic Focusing Array，SFA）、偏振測(cè)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(shí)現(xiàn)大面積、高動(dòng)態(tài)范圍、高信噪比的空間X射線(xiàn)“能譜—時(shí)變”與“時(shí)變—偏振”觀(guān)測(cè)。

eXTP衛(wèi)星載荷簡(jiǎn)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(chǎng)。具體來(lái)說(shuō)就是通過(guò)觀(guān)測(cè)黑洞奇點(diǎn)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(shí)觀(guān)測(cè)這些中子星是否實(shí)際是夸克星，來(lái)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(shí)驗(yàn)室開(kāi)展在地球上無(wú)法實(shí)施的物理研究。

黑洞

夸克星和中子星

　　旗艦級(jí)？到底有多高級(jí)？

　　說(shuō)eXTP是旗艦級(jí)，是緣于其強(qiáng)大的功能。一般的天文衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo)和用戶(hù)團(tuán)隊(duì)比較集中，在衛(wèi)星發(fā)射之前就確定了研究目標(biāo)和觀(guān)測(cè)計(jì)劃。而有些天文衛(wèi)星就好像地面的天文臺(tái)一樣，用戶(hù)來(lái)自于整個(gè)天文界的天文學(xué)家，其觀(guān)測(cè)目標(biāo)和計(jì)劃主要由這些用戶(hù)提案，再經(jīng)過(guò)專(zhuān)家評(píng)審來(lái)確定，這一類(lèi)天文衛(wèi)星被稱(chēng)為空間天文臺(tái)。

　　其中一些空間天文臺(tái)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(qiáng)大，不但能夠滿(mǎn)足大量用戶(hù)的需求，而且科學(xué)壽命特別長(zhǎng)，通常能夠在10年甚至更長(zhǎng)的時(shí)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(jiàn)光波段的旗艦級(jí)空間天文臺(tái)，而錢(qián)德拉（Chandra）和XMM-牛頓（XMM-Newton）則是X射線(xiàn)波段的旗艦級(jí)空間天文臺(tái)，這三個(gè)天文臺(tái)都是上個(gè)世紀(jì)發(fā)射運(yùn)行的，至今依舊“炯炯有神”。

旗艦級(jí)空間天文臺(tái)：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(lèi)天體的高能和極端活動(dòng)。她不僅能夠觀(guān)測(cè)那些一直會(huì)產(chǎn)生X射線(xiàn)的黑洞和中子星，而且也能夠捕捉并詳細(xì)觀(guān)測(cè)爆發(fā)天體。同時(shí)它也是宇宙多信使觀(guān)測(cè)的主要儀器，比如可以用來(lái)探測(cè)引力波爆發(fā)的時(shí)候所產(chǎn)生的X射線(xiàn)，也就是引力波的電磁對(duì)應(yīng)體。

　　因此，eXTP配置的科學(xué)儀器非常先進(jìn)，功能十分強(qiáng)大，預(yù)期在發(fā)射之后至少10年保持國(guó)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(shí)的旗艦級(jí)天文臺(tái)。

　　X射線(xiàn)天文望遠(yuǎn)鏡能看到什么？

　　為了避免大氣層對(duì)天文觀(guān)測(cè)的影響，人類(lèi)向太空發(fā)射了一系列的空間望遠(yuǎn)鏡。空間望遠(yuǎn)鏡突破了地面望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)僅限于特定波段的限制，可用來(lái)探測(cè)不同波段的電磁輻射。其探測(cè)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(xiàn)，致密天體和雙星系統(tǒng)如黑洞、中子星，還有伽馬射線(xiàn)，伽馬射線(xiàn)暴，引力波電磁對(duì)應(yīng)體等等。

　　黑洞的觀(guān)測(cè)一向就是天文界比較熱門(mén)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(xiàn)波段，所以X射線(xiàn)觀(guān)測(cè)對(duì)于研究黑洞是非常重要的。實(shí)際上，幾乎所有的天體都會(huì)產(chǎn)生X射線(xiàn)輻射，只是強(qiáng)度和比例不同而已，因此X射線(xiàn)天文不但是研究天體極端條件下劇烈高能活動(dòng)物理機(jī)制的主要探針，而且在整個(gè)天文學(xué)中也占有非常重要的地位。

　　20世紀(jì)國(guó)際上就發(fā)射了一系列的X射線(xiàn)天文望遠(yuǎn)鏡，比如60-70年代賈克尼團(tuán)隊(duì)發(fā)射的X射線(xiàn)天文衛(wèi)星，發(fā)現(xiàn)了一批黑洞和中子星，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)觀(guān)測(cè)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(jiǎng)。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(guó)NASA發(fā)射的錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺(tái)和歐空局的XMM-牛頓天文臺(tái)，2012年美國(guó)發(fā)射的NuStar衛(wèi)星，當(dāng)然還有中國(guó)于2017年6月15號(hào)成功發(fā)射的“慧眼”天文衛(wèi)星等，至今在太空運(yùn)行的就有10顆X射線(xiàn)天文衛(wèi)星！

　　eXTP還是空間實(shí)驗(yàn)室！

　　除了發(fā)現(xiàn)各種會(huì)發(fā)射X射線(xiàn)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(xiàn)天文衛(wèi)星還能干啥呢？

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

　　比如，地球的自然磁場(chǎng)大概為一個(gè)高斯，也就是萬(wàn)分之一特斯拉，而地球上實(shí)驗(yàn)室里能實(shí)現(xiàn)的最強(qiáng)磁場(chǎng)也不過(guò)十特斯拉左右，但是目前已知宇宙中最強(qiáng)的磁場(chǎng)是中子星表面的磁場(chǎng)，最弱也是上千特斯拉，最強(qiáng)超過(guò)了10億特斯拉，可能在地球?qū)嶒?yàn)室里面永遠(yuǎn)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)；地球上能產(chǎn)生的最強(qiáng)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(jì)；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?yàn)室當(dāng)然也無(wú)法產(chǎn)生。

　　所以極端磁場(chǎng)、引力和密度，在地球的實(shí)驗(yàn)室中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，只有在宇宙中天體上才能實(shí)現(xiàn)，我們通過(guò)觀(guān)測(cè)這些天體，以及不同天體中物質(zhì)及其輻射的行為來(lái)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(xiàng)目，不但性能有至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升，而且還有全新的觀(guān)測(cè)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(guó)得以進(jìn)入國(guó)際高能天體物理的觀(guān)測(cè)領(lǐng)域，而eXTP空間天文臺(tái)的實(shí)施將使我國(guó)空間X射線(xiàn)天文學(xué)的研究進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先行列。

慧眼衛(wèi)星示意圖

　　eXTP搭載了四個(gè)高性能探測(cè)載荷，主要探測(cè)中、低能X射線(xiàn)，而“慧眼”衛(wèi)星搭載了高、中、低能X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡，主要探測(cè)高、中、低能X射線(xiàn)并對(duì)伽馬射線(xiàn)暴進(jìn)行監(jiān)測(cè)。相較而言，eXTP的觀(guān)測(cè)能區(qū)不如“慧眼”衛(wèi)星那么寬，這是因?yàn)楦髯缘目茖W(xué)目標(biāo)不同所決定的。就探測(cè)性能來(lái)說(shuō)，eXTP明顯優(yōu)于“慧眼”衛(wèi)星，其上偏振測(cè)量和聚焦望遠(yuǎn)鏡是“慧眼”上完全沒(méi)有的功能，并且eXTP在軟X射線(xiàn)能段的探測(cè)性能高出“慧眼”100多倍。二者都能觀(guān)測(cè)黑洞、中子星，但是eXTP可以觀(guān)測(cè)得更加全面細(xì)致。

　　eXTP和國(guó)際上同級(jí)別天文臺(tái)有何不同

　　美國(guó)NASA的Chandra，歐空局的XMM-Newton，歐空局研制中的Athena（雅典娜）這三個(gè)都是國(guó)際上最為先進(jìn)的大型X射線(xiàn)天文臺(tái)，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(gè)世界上最先進(jìn)的旗艦級(jí)天文臺(tái)項(xiàng)目，科學(xué)目標(biāo)互補(bǔ)，且各有特色。Chandra和XMM-Newton已經(jīng)在軌運(yùn)行近20年，eXTP和Athena是研制中的下一代空間天文臺(tái)，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(xiàn)的時(shí)變和偏振的測(cè)量，主要研究極端物理?xiàng)l件下的基本物理規(guī)律；后者側(cè)重能譜測(cè)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(yùn)行將開(kāi)啟X射線(xiàn)天文學(xué)研究的新紀(jì)元。

　　項(xiàng)目背景

　　上個(gè)世紀(jì)60年代，天文學(xué)家開(kāi)始通過(guò)探空火箭和高空氣球?qū)μ祗w進(jìn)行的X射線(xiàn)天文觀(guān)測(cè)；70年代，美國(guó)發(fā)射第一顆X射線(xiàn)天文衛(wèi)星UHURU，標(biāo)志著X射線(xiàn)天文學(xué)的正式誕生。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，這一學(xué)科已經(jīng)成為認(rèn)識(shí)極端宇宙的主要途徑之一。

　　國(guó)際X射線(xiàn)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(gè)方向。前者主要是通過(guò)提高望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率和靈敏度，擴(kuò)大認(rèn)識(shí)宇宙的范圍，認(rèn)識(shí)宇宙的組成、大尺度結(jié)構(gòu)和演化；而后者的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)加大有效探測(cè)面積和高性能焦平面探測(cè)器，以便得到更短時(shí)標(biāo)的時(shí)空結(jié)構(gòu)和更多物理量的精確測(cè)量。

　　從1977年開(kāi)始，通過(guò)高空氣球載硬X射線(xiàn)觀(guān)測(cè)、載人航天工程空間天文實(shí)驗(yàn)，特別是慧眼（HXMT）衛(wèi)星的研制和運(yùn)行，中國(guó)的X射線(xiàn)天文學(xué)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在科學(xué)研究、硬件技術(shù)和人員隊(duì)伍等方面打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在國(guó)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(xiàn)時(shí)變與偏振探測(cè)衛(wèi)星（X-ray Timing and Polarimetry，簡(jiǎn)稱(chēng)XTP）建議，作為HXMT衛(wèi)星的后續(xù)任務(wù)，將實(shí)現(xiàn)從具有特色的小型空間天文臺(tái)到國(guó)際領(lǐng)先的大型空間天文臺(tái)的戰(zhàn)略突破。

　　2009-2011年，XTP獲得中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新方向性項(xiàng)目“空間科學(xué)預(yù)先研究項(xiàng)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(hào)獲得空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)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(hào)研究過(guò)程當(dāng)中，XTP團(tuán)隊(duì)主動(dòng)尋求與國(guó)際科學(xué)家的儀器團(tuán)隊(duì)的合作。經(jīng)過(guò)3年多的溝通和討論，由于歐洲航天局（ESA）Cosmic Vision計(jì)劃M(mǎn)3階段候選項(xiàng)目之一歐洲原大型X射線(xiàn)時(shí)變天文臺(tái)（Large Observatory For X-rayTiming, 簡(jiǎn)稱(chēng)LOFT）衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)和XTP基本一致，但是技術(shù)路線(xiàn)完全互補(bǔ)，因此2014年其團(tuán)隊(duì)集體加入了XTP項(xiàng)目，并計(jì)劃貢獻(xiàn)大面積X射線(xiàn)準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡和廣角監(jiān)視器，形成了增強(qiáng)型XTP概念（enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission），即eXTP。

　　eXTP重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)和未來(lái)計(jì)劃

　　2009年11月，XTP預(yù)先研究課題開(kāi)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(hào)研究課題順利開(kāi)題；

　　2016年5月30日， XTP背景型號(hào)研究課題順利通過(guò)結(jié)題驗(yàn)收；

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

　　2018年3月1日，eXT“深化”背景型號(hào)研究課題通過(guò)開(kāi)題評(píng)審；

　　2018年3月2日， eXTP“深化”背景型號(hào)課題啟動(dòng)會(huì)在國(guó)家空間科學(xué)中心召開(kāi)；

　　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(hào)預(yù)算；

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

　　2019年初-2019年底：開(kāi)始eXTP“重大”背景型號(hào)，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(hào)；

　　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(cè)試發(fā)射；

　　2025年中-2025年底：在軌測(cè)試和標(biāo)定；

　　2026年初-2030年底：科學(xué)運(yùn)行；

　　2031年初-2035年底：科學(xué)運(yùn)行延壽。