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eXTP空间天文台:趟出国际合作新路子

时间:2018-06-29 07:54来源:科学网 作者:倪思洁
近日,中国科学院“空间科学(二期)”战略性先导科技专项的第一批“空间科学背景型号项目”研究课题陆续启动。
  近日,中国科学院“空间科学(二期)”战略性先导科技专项的第一批“空间科学背景型号项目”研究课题陆续启动。在背景型号项目中,有两个项目在“背景型号”前加上了“重大”二字,其中之一就是今年3月份已经先行启动的“增强型X射线时变与偏振空间天文台”(简称eXTP)项目。
  之所以“重大”,不仅因为eXTP项目被认为是我国首颗X射线天文卫星“慧眼”的继任者,将会成为国际领先的旗舰级X射线天文台,还因为在十多年的长期准备中,eXTP项目借力国际合作,日渐成熟。
eXTP卫星概念图(中科院高能所供图)
  20多个国家一起干
  相较于“慧眼”,eXTP的科学目标更加偏重基础物理过程的研究。
  “‘慧眼’的主要目标是发现新的天体高能活动现象,eXTP不仅要发现天文现象,更要探索现象背后的物理规律。”eXTP项目经理、中科院高能物理研究所(以下简称中科院高能所)研究员卢方军告诉《中国科学报》记者。
  eXTP是一个研究极端条件下物理规律的项目,项目的主要科学目标概括为“一奇二星三极端”,即通过观测黑洞奇点附近的物质运动和辐射、测量中子星的质量半径关系、研究中子星强磁场中的真空涨落效应,来深入理解极端引力、密度、磁场三种条件下的基本物理规律。
  卢方军介绍,为了保证eXTP项目能多出成果,项目以中国为主体,联合了具有较强基础研究实力的意大利、德国、西班牙、英国、法国等20多个国家、地区、组织的100多个研究单位,形成了由中国科学家发起和主导的重大国际合作空间科学项目。
  “要精确地‘看清’物理规律,eXTP就需要更高精度的观测仪器,因此需要实现国际上的强强联合。”卢方军说。
  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。其中,能谱测量聚焦望远镜阵列,计划由中科院高能所、哈尔滨工业大学、中科院西安光机所、意大利Brera天文台、德国马普地外所等联合承担。偏振测量聚焦望远镜阵列,将由中科院高能所、清华大学、意大利Brera天文台、意大利罗马天体物理研究所承担。大面积准直型望远镜阵列,将由意大利罗马天体物理研究所、英国伦敦大学学院空间科学实验室等多个欧洲国家和单位,及航天五院总体部、中科院高能所、北方夜视集团公司等中方单位承担。广角监视器,将由西班牙空间科学研究所、丹麦技术大学等多个欧洲单位承担。
  “这很可能是有史以来中国发起和领导的最大型的、发达国家参与最广的国际合作空间项目。”eXTP项目首席科学家、中科院高能所研究员张双南告诉《中国科学报》记者。
  项目“顺产”得益于国际合作
  有趣的是,这么大型的国际合作项目,最初并没有刻意要走国际合作的路子。
  2005年,中科院高能所开始考虑硬X射线调制望远镜(即“慧眼”卫星)之后的天文卫星规划。当时,卢方军等人提出要做一个具有大探测面积的卫星,该卫星要充分利用“慧眼”卫星的硬件技术及学科基础,探索更基础的科学规律,预计在“慧眼”卫星升空后的十年内发射。
  到2007年,卢方军、张双南等经过多轮讨论逐渐完成了项目的概念设计,方案上采用纯粹的、用于观测亮X射线源的准直型望远镜,被命名为“X射线时变与偏振空间天文台”(XTP)。
  “项目最初并没有引入国际合作。现在看来,当时的设计方案工程难度很大,几乎不可能实现。”翻看着XTP的雏形设计图,卢方军感慨。
  在张双南的推动下,2011年,XTP迈出国际合作的第一步。当时,德国马普地外物理所正在做一个聚焦型观测项目——“广义相对论天体物理的时变与光谱研究”(GRAVITAS)。交流中,双方发现了合作的可能。
  2012年2月8日,德国马普地外物理所所长Kirpal Nandra教授率团访问中科院高能所,双方讨论认为,XTP和GRAVITAS卫星的主要科学目标一致、技术方案有很多相似之处,可以进一步优化设计,提出共同的卫星方案。
  “2012年,XTP合并了准直和聚焦的观测方案,使XTP同时具有观测亮X射线源和较弱的X射线源的能力,兼顾大的探测器面积和高时间分辨的特点。”卢方军说。
  这还只是XTP国际合作的开端。2015年,在中科院高能所主导下,与XTP科学目标相近、技术方案相补的“欧洲大型X射线时变天文台”(LOFT)团队整体加入XTP,最终形成了XTP的升级版——eXTP。
  抢占先机应对国际竞争
  2016年,美国的一个举动,让张双南有些焦心。
  那一年,美国提出Strobe-X天文台项目,方案与eXTP非常相似,初步计划2030年发射升空。项目还邀请了eXTP欧洲团队参加,形成与中国直接竞争的局面,给eXTP项目实施带来了很强的紧迫性。
  与此同时,欧美合作的下一代大型空间天文台Athena项目,预期将于2028年至2030年间发射。
  “虽然Athena的主要科学目标是通过其极高的X射线光谱分辩能力和对遥远天体的强观测能力研究宇宙大尺度物理规律,但是仍然和eXTP的科学目标有部分竞争。”张双南说。
  不过,张双南明白,没有国际竞争的科学研究项目必定不是好项目。
  “在以黑洞和中子星为观测目标的宇宙极端物理研究方面,eXTP天文台相比于之前的同类卫星,其X射线时变—能谱—偏振的综合性能将有一个数量级的提高而且具有全新的测量能力,预期将成为利用宇宙天体实验室研究极端物理规律的国际领先的重大平台。”张双南说。
  张双南表示,正因如此,所以有必要在2025年左右发射运行eXTP,在及时填补国际上大型空间X射线天文台空白期的同时,抢占研究宇宙极端物理规律的制高点。

(责任编辑:admin)
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