eXTP空間天文臺：趟出國際合作新路子

近日，中國科學院“空間科學（二期）”戰略性先導科技專項的第一批“空間科學背景型號項目”研究課題陸續啟動。在背景型號項目中，有兩個項目在“背景型號”前加上了“重大”二字，其中之一就是今年3月份已經先行啟動的“增強型X射線時變與偏振空間天文臺”（簡稱eXTP）項目。

之所以“重大”，不僅因為eXTP項目被認為是我國首顆X射線天文衛星“慧眼”的繼任者，將會成為國際領先的旗艦級X射線天文臺，還因為在十多年的長期準備中，eXTP項目借力國際合作，日漸成熟。

eXTP衛星概念圖（中科院高能所供圖）

20多個國家一起干

相較于“慧眼”，eXTP的科學目標更加偏重基礎物理過程的研究。

“‘慧眼’的主要目標是發現新的天體高能活動現象，eXTP不僅要發現天文現象，更要探索現象背后的物理規律。”eXTP項目經理、中科院高能物理研究所（以下簡稱中科院高能所）研究員盧方軍告訴《中國科學報》記者。

eXTP是一個研究極端條件下物理規律的項目，項目的主要科學目標概括為“一奇二星三極端”，即通過觀測黑洞奇點附近的物質運動和輻射、測量中子星的質量半徑關系、研究中子星強磁場中的真空漲落效應，來深入理解極端引力、密度、磁場三種條件下的基本物理規律。

盧方軍介紹，為了保證eXTP項目能多出成果，項目以中國為主體，聯合了具有較強基礎研究實力的意大利、德國、西班牙、英國、法國等20多個國家、地區、組織的100多個研究單位，形成了由中國科學家發起和主導的重大國際合作空間科學項目。

“要精確地‘看清’物理規律，eXTP就需要更高精度的觀測儀器，因此需要實現國際上的強強聯合。”盧方軍說。

eXTP空間天文臺將載有中歐合作研制的四組高性能X射線天文儀器。其中，能譜測量聚焦望遠鏡陣列，計劃由中科院高能所、哈爾濱工業大學、中科院西安光機所、意大利Brera天文臺、德國馬普地外所等聯合承擔。偏振測量聚焦望遠鏡陣列，將由中科院高能所、清華大學、意大利Brera天文臺、意大利羅馬天體物理研究所承擔。大面積準直型望遠鏡陣列，將由意大利羅馬天體物理研究所、英國倫敦大學學院空間科學實驗室等多個歐洲國家和單位，及航天五院總體部、中科院高能所、北方夜視集團公司等中方單位承擔。廣角監視器，將由西班牙空間科學研究所、丹麥技術大學等多個歐洲單位承擔。

“這很可能是有史以來中國發起和領導的最大型的、發達國家參與最廣的國際合作空間項目。”eXTP項目首席科學家、中科院高能所研究員張雙南告訴《中國科學報》記者。

項目“順產”得益于國際合作

有趣的是，這么大型的國際合作項目，最初并沒有刻意要走國際合作的路子。

2005年，中科院高能所開始考慮硬X射線調制望遠鏡（即“慧眼”衛星）之后的天文衛星規劃。當時，盧方軍等人提出要做一個具有大探測面積的衛星，該衛星要充分利用“慧眼”衛星的硬件技術及學科基礎，探索更基礎的科學規律，預計在“慧眼”衛星升空后的十年內發射。

到2007年，盧方軍、張雙南等經過多輪討論逐漸完成了項目的概念設計，方案上采用純粹的、用于觀測亮X射線源的準直型望遠鏡，被命名為“X射線時變與偏振空間天文臺”（XTP）。

“項目最初并沒有引入國際合作。現在看來，當時的設計方案工程難度很大，幾乎不可能實現。”翻看著XTP的雛形設計圖，盧方軍感慨。

在張雙南的推動下，2011年，XTP邁出國際合作的第一步。當時，德國馬普地外物理所正在做一個聚焦型觀測項目——“廣義相對論天體物理的時變與光譜研究”（GRAVITAS）。交流中，雙方發現了合作的可能。

2012年2月8日，德國馬普地外物理所所長Kirpal Nandra教授率團訪問中科院高能所，雙方討論認為，XTP和GRAVITAS衛星的主要科學目標一致、技術方案有很多相似之處，可以進一步優化設計，提出共同的衛星方案。

“2012年，XTP合并了準直和聚焦的觀測方案，使XTP同時具有觀測亮X射線源和較弱的X射線源的能力，兼顧大的探測器面積和高時間分辨的特點。”盧方軍說。

這還只是XTP國際合作的開端。2015年，在中科院高能所主導下，與XTP科學目標相近、技術方案相補的“歐洲大型X射線時變天文臺”（LOFT）團隊整體加入XTP，最終形成了XTP的升級版——eXTP。

搶占先機應對國際競爭

2016年，美國的一個舉動，讓張雙南有些焦心。

那一年，美國提出Strobe-X天文臺項目，方案與eXTP非常相似，初步計劃2030年發射升空。項目還邀請了eXTP歐洲團隊參加，形成與中國直接競爭的局面，給eXTP項目實施帶來了很強的緊迫性。

與此同時，歐美合作的下一代大型空間天文臺Athena項目，預期將于2028年至2030年間發射。

“雖然Athena的主要科學目標是通過其極高的X射線光譜分辯能力和對遙遠天體的強觀測能力研究宇宙大尺度物理規律，但是仍然和eXTP的科學目標有部分競爭。”張雙南說。