1. 中國科學院高能物理研究所；2. 德國圖賓根大學
啟航，探索極端宇宙專題六
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探索極端宇宙——增強型X射線時變與偏振空間天文臺
對浩瀚宇宙的探索我們從未止步，從1962 開始，有一批X射線望遠鏡被發射進入太空，比如說1999 年7 月發射的錢德拉(Chandra)和1999 年12 月發射的XMM-牛頓(XMM-Newton)衛星，但是中國一直沒有自己的X射線天文望遠鏡，只能用國外的二手數據，科研就像在撿漏。直到2017 年的夏天「慧眼」衛星發射升空，中國人第一次望向了那片屬於自己的未知宇宙，「慧眼」衛星至今已在軌運行3年多，已獲取了豐富的科學數據，取得了一系列重大科學成果，比如成功監測了2017 年8 月17 日轟動全球的雙中子星併合產生引力波事件；通過對X射線吸積脈衝星GRO J008-57 的詳細觀測，直接測量到了迄今宇宙最強磁場，該結果於2020 年8 月發表在了國際著名期刊《天體物理學通訊》上，觀測到了距離黑洞最近的高速相對論噴流，其觀測結果於2020 年9 月21日在國際著名期刊Nature Astronomy(自然*天文學)發表等。可是「慧眼」只是個開始，「慧眼」主要目標是發現新的高能天體活動現象，但是「黑洞」附近有什麼，中子星內部狀態是什麼，「慧眼」根本無法回答。於是更強大的空間天文臺來了，它就是增強型X射線時變與偏振空間天文臺(enhanced X-ray Timingand Polarimetry mission，eXTP)(圖1)。
圖1 eXTP空間天文臺示意圖
eXTP是我國第一顆空間天文衛星「慧眼」的後續項目，也是我國下一代強大的空間天文臺，並有望成為國際領先的旗艦級X射線空間觀測設施，目前處於重大背景型號階段(也就是通常的「方案階段」)，由中科院先導專項(二期)支持。由於搭載了大面積準直型探測陣列和高精度的聚焦望遠鏡陣列，eXTP 不僅探測性能較「慧眼」至少有一個數量級的提升，而且還有全新的觀測能力，它能夠將宇宙看得更精細、更準確。
高能所在2007年牽頭提出了建造X射線時變與偏振探測衛星(X-Ray Timing and Polarimetry Satellite，簡稱XTP)，在中國科學院先導計劃的支持下，由高能所牽頭多家單位，先後完成了XTP預先研究課題、XTP 背景型號和eXTP 背景型號三個階段的工作，目前處於重大背景型號的階段，計劃完成eXTP的初樣研製工作。在背景型號研究過程當中，XTP團隊主動尋求與國際科學家的儀器團隊的合作。經過3 年多的溝通和討論，由於歐洲航天局(ESA)CosmicVision 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-ray Timing,簡稱LOFT)衛星的科學目標和XTP基本一致，但是技術路線完全互補，因此2014 年其團隊集體加入了XTP項目，並計劃貢獻大面積X射線準直型望遠鏡和廣角監視器，形成了增強型XTP 概念(enhancedX-ray Timing and Polarimetrymission)，即eXTP。
eXTP 計劃配置4 種有效載荷(圖2)：能譜測量X 射線聚焦鏡望遠鏡陣（SFA）、偏振測量X射線聚焦望遠鏡陣列（PFA）、大面積X 射線準直望遠鏡陣列 （LAD）和廣角監視器 （WFM），其中前兩個聚焦型載荷由中方牽頭研製，LAD和WFM由歐洲合作團隊負責研製。衛星總重量預計4.5噸，長9.4 m，寬4.4 m(衛星非常大，就如2X4 個姚明那麼高，而大家所熟知的哈勃望遠鏡可見光波段的旗艦級空間天文臺，總重量11 噸，長13 m，造價15 億美元)，採用550 km圓軌道，傾角小於2.5°，衛星計劃在中國完成總裝、集成和測試，採用長徵7 號或者長徵5 號運載火箭在海南文昌發射場發射。
圖2 eXTP有效載荷配置圖
eXTP 由中方發起並領導，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，很有可能是中國發起並領導的最大國際合作空間科學研究項目，計劃2027年前後發射升空。
eXTP 是世界上在0.5~30 keV 能區唯一同時具備大聚焦探測面積和大準直探測面積以及高靈敏度偏振測量能力的空間X射線天文臺，其同樣能區的探測面積是慧眼衛星的30~100 倍，在關鍵的6keV處的聚焦成像面積比歐洲下一代大型空間X射線天文臺ATHENA衛星高近一倍。eXTP主要目標可概括為「一奇二星三極端」，即：通過觀測黑洞、中子星或者夸克星，在極端的引力、磁場以及密度條件下檢驗和發展宇宙基本物理規律。
eXTP 的科學能力和先進性已獲國際同行廣泛認可，是中國發起和領導、多國參加的天文臺級重大空間科學衛星項目。eXTP 項目的開展，無論在廣度和深度上都將極大地促進我國在空間領域的國際合作，提升我國作為負責任航天大國的國際形象、影響力和領導地位，帶動我國空間科學和技術的發展。不過，eXTP也面臨著激烈的國際競爭，例如美國在2018 年3 月份批准的一個概念研究計劃STROBE-X就採用了與eXTP 相似的設計思路，覆蓋了eXTP的大部分科學目標，計劃在2028年發射。
如前所述，eXTP主要的研究目標，由首席科學家張雙南研究員總結為「: 一奇二星三極端」。「一奇」指的是黑洞的奇點，「二星」指的是中子星和夸克星。「三極端」是對物理研究方向的總結，可以簡單的描述為研究極端引力場、極端磁場、以及極端密度下的物理規律。自20 世紀60 年代X射線天文學誕生至今，這些問題一直是天文學家們研究的最核心問題。這裡我們對這些研究課題做一下簡略梳理。下面的內容主要引自eXTP 的白皮書，但是考慮到篇幅限制，eXTP的科學目標又極為多樣，這裡的總結難免掛一漏萬，請感興趣的讀者查閱白皮書中的相關內容(參考文獻①-⑤)。
1. 極端引力
黑洞是廣義相對論預言的天體，它們廣泛的存在於宇宙之中，並且已經被各方面的觀測所證實。它們的特點是擁有超強的引力，強到甚至能夠顯著地扭曲時空。在強引力的作用下，在部分區域內，連光都無法逃逸出去，這個區域被稱為「視界」(eventhorizon)。根據廣義相對論，視界的大小與黑洞的自旋與質量有關。在視界之外，存在由氣體或者等離子體組成的吸積盤。吸積盤附近存在複雜的輻射轉移過程，最終導致的結果是輻射出X射線，可被我們的探測器觀測到。在未來的10~20 年，國際上最重要的觀測設備之一就是中歐合作的eXTP衛星。我們通過X射線的天文學觀測，可以測量黑洞的基本參數，以及驗證廣義相對論，研究強引力下的物理過程，這是現代天體物理的主要研究課題之一。
2. 極端密度
現代物理學的主要目標之一就是理解基本相互作用。在中子星中，由於強引力的存在，物質會被壓縮到極高的核密度，這時候強相互作用開始起作用。所以，中子星是研究極端情況下物態方程的天然實驗室。【作者註：物態方程主要描述的是溫度、壓強、密度之間的關係】我們在下圖3 中展示了中子星對應的、以及地球實驗室中能達到的物態參數範圍。例如，通過大型強子對撞機(LHC)，我們可以製造極高溫、低密度的物態；通過下一代的重離子對撞機，我們可以產生高溫、高密度的物態。而中子星對應的物態範圍與前兩者十分不同，是低溫、極高密度的物態，這在地球實驗中目前還無法實現。目前的理論計算對這一參數空間也無法精確計算，即便是考慮最簡單的情況(中子星由均勻的中子、質子、電子、繆子構成)，計算中子星的物態方程也需要做大量的簡化和假設。另外，在超高密度下，超子、夸克態的物質也可能會出現，這將導致著中子星可能存在多種不同的物態方程。
圖3 中子星以及地球實驗中允許物質的參數空間。此處考慮的參數為溫度，重子數與核不對稱
我們可以通過測量中子星的參數(半徑與質量)研究強相互作用，因為粒子之間的力會影響中子星的硬度(stiffness)，而這又會反映在中子星的物態方程上。這導致的結論是中子星的半徑-質量關係與物態方程是一一對應的(如圖4 所示)。所以如果我們能夠精確的(精度百分之幾)測量多個中子星的半徑與質量，通過與理論模型做對比，就可以確定他們對應的物態方程，進而理解低溫、高密度狀態下的強相互作用。
圖4 不同假設下的物態方程，即壓強-密度關係圖（a）與其對應的中子星質量-半徑關係圖（b）
3. 極端磁場
3.1 磁星
在脈衝星中，有一類磁場極強(高斯)的天體，被稱為磁星。他們釋放磁能，輻射出X射線與伽馬射線，在觀測上表現為「軟伽馬射線復發源」或「不規則X 射線脈衝星」。在最近研究中表明，磁星與快速射電暴有關，這是近年來天體物理領域的熱點問題。磁星的輻射強度不是穩定的，通常情況下會表現出不同時間尺度的變化，例如，短暴(burst)持續時間小於1 秒，而大爆發可長達數星期。磁星的暴發機制目前並不清楚，但是通常認為是由於中子星附近的強磁場的磁重連引起的(圖5(a))。利用eXTP，我們可以對磁星的磁場進行精確的測量，使用的方法被稱為「質子迴旋吸收特徵」。基本原理是，在磁場中帶電粒子繞磁感線做圓周運動，當磁場強度高到一定程度時候，繞轉的軌道能級將被量子化(被稱為「朗道能級」)。此時，強磁場將影響質子與電子的散射截面，在出射的電磁譜中形成吸收結構(圖5(b))。研究迴旋吸收結構，能精確的測量磁星的磁場強度，更好的理解磁星表面的磁場結構。除此之外，我們還將通過諸多時變性質研究磁星的磁場，例如，頻率跳躍、自由進動、制動指數、星震等。
圖5 磁星磁場結構的藝術想像圖
3.2 檢驗量子電動力學(quantum electrodynamics,QED)
幾十年前量子電動力學就預言，磁場會影響光線的傳播，簡言之，磁場會使不同偏振態的光(尋常光與非尋常光)的折射係數產生差異，而這會引起真空雙折射現象。但是由於該現象極為微弱，直到現在我們都無法在實驗室中找到觀測證據。在強磁場中，QED引起的真空極化將更為顯著，可以用來檢驗QED效應。QED效應主要表現在影響中子星的X射線輻射的偏振度，在圖6中，我們展示了不同情況下(考慮與不考慮真空極化)理論預言的線偏振度。同時，通過偏振度的研究也可以研究中子星的磁場。因為在強磁場的光線傳播中，偏振方向是隨著磁場絕熱演化的，換言之，當磁場方向發生變化，尋常/非尋常光將保持其原始的偏振狀態。目前，X射線偏振觀測方興未艾，在未來的幾年內，將有數個天文衛星項目發射，其中eXTP是最重要的一個，因為eXTP能夠同時結合能譜、時變與偏振三維信息，打開X射線天文學的新窗口。
圖6 在不同條件下，理論推測的強磁場中子星的輻射的線偏振度
中小型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。而有些大型天文衛星就好像地面的天文臺一樣，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天文臺。其中一些空間天文臺規模特別大，衛星上面的科學儀器(望遠鏡)功能特別強大，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20世紀發射運行的，至今依舊「炯炯有神」。
eXTP 在「三極端」核心科學目標之外，由用戶按照自己的科學思想利用eXTP強大的科學能力提出觀測目標和設計觀測計劃，可以研究非常豐富的天文現象，其中WFM將起重要的作用，WFM將是該能區最靈敏的大視場相機，不但可以監視大批已知源的活動，而且可以發現眾多的新爆發源和現象，包括伽馬暴、引力波電磁對應體，快速射電暴(FRB)的高能對應體等，將為eXTP的另外三個望遠鏡提供大量機遇觀測目標。
自從增強型X射線時變與偏振(eXTP)空間天文臺項目於2007 年提出以來，其科學發現能力獲得了國際學術界的高度認可，國際影響力迅速增加，截至2020 年10 月，直接引用eXTP的學術論文共有354篇，其中201篇為審稿論文，其餘為會議論文。
這些論文，少部分是引用eXTP的相關技術，但大部分論文主要指出，有很多重要的科學問題無法基於目前的天文觀測數據獲得解決，迫切需要eXTP 的強大科學能力。這些論文指出，eXTP 將在諸如黑洞附近極強引力場中的物理規律、中子星內部極高密度下的物質性質和中子星的極強磁場中的真空漲落等一系列極端宇宙的重要科學問題方面取得突破，同時eXTP對暗物質粒子的搜尋、引力波暴電磁波對應體等新興多信使和時域天文學的很多重大科學問題的解決也非常重要。
圖7 是從國際上使用最為廣泛的美國NASA的天體物理數據系統獲得的近年來引用eXTP 的論文情況(數據截止到2020 年10 月10 日)。可以看到，這些文章的數量從2010 年開始逐年增多，2016年開始快速增加而且勢頭不減，表明國際學術界日益認識到了eXTP的科學意義，eXTP的國際學術影響力快速增加。這些論文的總引用量高達3095 次，總閱讀量50981 次。這些論文中由eXTP 項目組發表的文章共9 篇，其中5 篇為審稿文章，總引用量為235，閱讀量為4163，僅佔引用eXTP 的文章總數的3%，說明絕大多數引用eXTP 的論文都是eXTP 團隊以外的國際學術界發表的。這些文章的國外作者主要來自於義大利、波蘭、德國、英國、俄羅斯、葡萄牙、印度、羅馬尼亞、巴西、荷蘭、美國、法國、丹麥、日本、芬蘭、瑞典、捷克、加拿大、埃及、巴基斯坦、西班牙等二十多個國家。
圖7 直接引用eXTP項目的論文分布圖
由於綜合了大面積X射線聚焦望遠鏡陣列、大面積準直型望遠鏡陣列、高靈敏度X射線偏振望遠鏡的綜合能力，在測量黑洞自轉，檢驗引力理論，測量中子星質量半徑關係並限制其內部核物質狀態方程，研究脈衝星輻射機制和磁場結構模型等方面，eXTP相比於國際上其他的衛星，綜合性能將有一個數量級的提高，同時還利用了偏振X射線觀測的新維度約束。eXTP作為綜合天文臺也將觀測各類高能天體，探測伽馬射線暴和引力波電磁對應體，帶來海量科學產出。eXTP項目的實施，將使我國成為國際高能天文研究的領跑者，將佔據重要前沿科學研究的制高點。
參考文獻
① Alessandra De Rosa, et al., SCIENCE CHINA Physics, Mechanics& Astronomy, 2019, 62, 029504
② Andrea Santangelo, et al., SCIENCE CHINA Physics, Mechanics& Astronomy, 2019 62, 029501
③ Andrea Santangelo, et al., SCIENCE CHINA Physics, Mechanics& Astronomy, 2019, 62, 029505
④ Anna L. Watts, et al., SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy,2019, 62, 029503
⑤ Shuang-Nan Zhang, et al., SCIENCE CHINA Physics, Mechanics& Astronomy, 2019, 62, 029502