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愛因史坦探針是什麽?

2022-08-20科技
愛因史坦探針是什麽?

愛因史坦探針是中科院戰略性先導科技專項第二階段部署的空間科學衛星之一,其主要任務是探測和研究重力波和高能射線,這是世界上任何其他國家都沒有開發過的。 根據中科院的規劃,今年年底將發射愛因史坦探針,開展時域天文觀測、高能天體物理研究!

愛因史坦探針(Einstein Probe,或EP)計劃是一台面向未來時域天文學和高能天體物理的小型科學探測衛星。其主要目標是在軟X射線(0.5~4keV)波段發現X射線暫現源/劇變源和監測X射線源的變化。為此它具有非常大瞬時視場(60°×60°,約為1球面度即全天立體角的十二分之一),並具有中等空間分辨率(半高全寬約5角分)和一定的光譜分辨率(約20%)。由於其監視器首次采用了先進的、基於MPO龍蝦眼技術的X射線聚焦成像光學系統,探測靈敏度和巡天捕獲能力Grasp(探測有效面積與視場的乘積)比以往和現有裝置高一到兩個數量級,為國際領先水平。衛星在每個97分鐘的軌域內指向5個反太陽方向的觀測天區,每個天區曝光11分鐘。每三個軌域可幾乎完全覆蓋半個天球。大部份天區的觀測覆蓋次數約在每天5~25次之間。衛星上還搭載一台與大視場監視器能力互補的小視場(約1°×1°)的深度後隨觀測望遠鏡,用於對發現的暫現源/劇變源進行深度後隨觀測。衛星可以釋出警報以引導國際上其它空間及地面望遠鏡進行後隨觀測。

概述

愛因史坦探針(Einstein Probe,簡稱EP)衛星工程是中國科學院戰略性先導科技專項空間科學(二期)部署的空間科學衛星之一,於2017年12月29日經中國科學院批準立項,2022年3 月 25 日,中國科學院國家空間科學中心作為愛因史坦探針(EP)衛星工程總體,在北京組織召開了衛星初樣研制總結暨正樣設計評審會。評審委員會同意透過評審,轉入正樣研制階段。計劃於2022年底前擇機發射,在軌壽命不小於3年。

EP衛星是一顆面向時域天文學和高能天體物理的科學探測衛星,其任務是在軟 X 射線波段開展大視場時域巡天監測,旨在系統性地發現宇宙高能暫現天體,監測天體活動性,探索其本質和物理過程。

EP衛星瞄準了黑洞與其它各種天體的並合,黑洞在宇宙中的分布、形成和演化,重力波源電磁對應體,早期宇宙,超新星,致密天體活動性等重大科學問題開展科學研究,將獲取包括全天X射線時序全景影像、天體的 X 射線光譜和時變數據等時域天文觀測數據,為時域天文學的發展提供寶貴的數據積累。同時,EP衛星首次將沈寂(不活動)的黑洞作為研究物件,將開辟黑洞吞噬恒星事件這一新的研究領域。

EP衛星具有超大的均勻視場和極高的探測靈敏度,將能探測到稀有的X射線暫現源,具有發現未知型別的X射線暫現天體和現象的能力。EP衛星預期將在時域天文學及其與天體物理學、宇宙學的多個交叉領域獲得重要科學發現。

科學目標

  • 愛因史坦探針屬於發現型的科學任務,它的首要目標就是瞄準動態宇宙中的科學發現,旨在發現新天體、新現象和新規律。

    1.科學目標

    EP衛星將在 X 射線波段對宇宙天體開展高靈敏度即時動態巡天監測,並實作以下科學目標:

    發現宇宙中的X射線劇變天體;監測已知天體的活動性。探究相關現象的性質及物理機制。

    發現和探索宇宙中沈寂黑洞的耀發;測繪黑洞的分布,進一步理解其起源、演化及物質吸積過程。

    探尋來自重力波源的X射線訊號,以增進對極端致密天體及其合並過程的認知。

    2.研究內容

    (1)沈寂的黑洞的發現和研究

    愛因史坦探針能夠透過軟X射線波段探測爆發現象,發現隱身的黑洞,包括宇宙中所有尺度的天體物理黑洞。

    預期的重要成果有:

    發現上百個星系中心的沈寂的黑洞,並能對它們的爆發做詳細的觀測。

    結合對事件發生率的獨立估計,給出大品質黑洞在星系中心的占有比,回答「是否每一個星系中心都存在大品質黑洞?」這一基本問題。幫助理解黑洞、星系及宇宙結構的形成和演化。

    發現中等品質黑洞和大品質雙黑洞的觀測證據,限制它們的比例。幫助理解種子黑洞起源與分布、大品質雙黑洞的形成和演化。

    發現各種型別的黑洞潮汐摧毀吞噬恒星的觀測現象,檢驗各種理論模型。包括具有相對論性噴流的事件,揭示噴流產生的條件及機制。

    檢驗黑洞附近的廣義相對論效應,追蹤研究物質如何落入黑洞。

    透過探測爆發現象發現銀河系及臨近星系中新的恒星級黑洞和中等品質黑洞。發現球狀星團中心的黑洞。

    (2)暫現和爆發天體的巡天監測

    EP衛星具有極高的探測靈敏度,能探索更遠、更暗和稀有的暫現源。首次在軟X射線波段開展監測,具有發現前所未知的暫現源型別的能力,釋出暫現源預警、引導國際上其它觀測裝置的觀測研究課題。

    預期的重要成果有:

    探測一批超新星爆發瞬間的X射線放射線。

    將發現到一批高紅移(紅移大於6)的早期宇宙天體的爆發事件。

    為解開X射線閃(X-ray flash)之謎提供重要數據。

    發現一批新的中子星和磁星。

    系統性地獲得各類暫現源的觀測特征,為暫現源的起源和爆發物理機制提供了重要的數據。

    發現前所未知型別的暫現源。

    (3)重力波爆發事件的電磁對應體的探測

    愛因史坦探針將與國際上第二代重力波探測器(A-LIGO,A-VIRGO)配合,開展重力波暴的電磁波對應體的搜尋實驗。若探測到電磁波對應體,將能提高重力波源探測的統計置信度,並為重力波暴定位(精度為20角秒至2角分,或更高),同時可以獲得X射線光譜和光變數據。這些結果將引導國際大型多波段裝置開展對電磁波對應體的後隨觀測,證認對應的天體。

  • 衛星及載荷

    1.衛星及主要技術指標

    愛因史坦探針是什麽?

    EP結構星

    EP衛星工程將研制一顆對軟X射線暫現源和變源兼具寬視場和高靈敏度巡天監測能力的空間天文衛星。

    EP衛星采用了國際上先進的X射線MPO龍蝦眼聚焦成像技術,巡天監測能力將比現有在軌裝置提高一個數量級以上,開拓了軟X 射線觀測能段新視窗,從而把握時域天文學和高能物理科學觀測的新機遇。

    EP衛星既具有警報資訊快速下傳功能,在發現暫現源後能夠快速釋出警報,引導其它天文裝置開展後隨觀測;同時也具有接收地面上行警報資訊的功能,可以對機會源進行快速星載後隨觀測。

    主要技術指標:

  • 衛星:考核壽命不低於3年,設計壽命不低於5年
  • 軌域高度:滿足高度650 km
  • 軌域傾角:小於30°圓軌域條件
  • 科學數據接收:三亞數據接收站、HBK和Maspaloms數據接收站(與ESA協商確定),X波段數據接收碼速率不小於80Mbps
  • 2.科學探測有效載荷

    愛因史坦探針衛星有效載荷由寬視場X射線望遠鏡(WXT,用於全天監視)和後隨X射線望遠鏡(FXT,用於暫現源或劇變源觀測)組成,主要指標如下:

    (1)寬視場X射線望遠鏡(WXT)

  • 總視場:≥3600 平方度
  • 探測能段:0.5~4.0 keV
  • 能量分辨率:≤170 eV@ 1.25 keV(FWHM)
  • 有效面積:對於平行X射線,≥2cm2@1 keV
  • 角分辨率:≤5′(FWHM)
  • 源定位精度:1′(90%置信度,中心焦斑內光子數大於200,探測器座標系)
  • 觸發閾值:≥10mCrab的暫現源(10分鐘積分時間)
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    WXT載荷

    (2)後隨X射線望遠鏡(FXT)

  • 視場:直徑≥38′
  • 探測能段:0.5~8.0 keV(探測能段內X射線有效面積大於10cm2)
  • 能量分辨率:≤170 eV@ 1.25 keV
  • 有效面積:對於平行X射線,≥100 cm2@1.25 keV,在軸
  • 角分辨率:≤2′(FWHM)
  • 源定位精度:優於20角秒(90%置信度,觀測時間100秒,焦斑內光子數大於200 ,探測器座標系)
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    FXT載荷

    團隊介紹

    EP衛星工程總體單位:中國科學院國家空間科學中心

    負責組織完成EP衛星工程計畫總體方案設計,各工程系統間技術協調,並協調開展系統間介面對接試驗,在軌執行等工作。

    衛星系統總體單位:中國科學院微小衛星創新研究

    負責衛星平台以及有效載荷的研制,實作正常在軌執行,完成科學探測數據的獲取並傳送至地面。其中,寬視場X射線望遠鏡(WXT)由中科院上海技術物理研究所聯合中科院國家天文台共同研制,後隨X射線望遠鏡(FXT),由中科院高能物理研究所負責研制。

    運載火箭系統:中國航天科技集團有限公司第一研究院

    負責運載火箭系統研制生產任務,在發射場系統、測控系統支持下將衛星準確送入預定軌域。

    地面支撐系統總體單位:中國科學院國家空間科學中心

    負責完成有效載荷在軌執行和科學探測任務的實施,完成科學數據的接收、預處理、管理和歸檔,提供數據長期釋出服務。

    科學套用系統總體單位:中國科學院國家天文台

    負責科學套用系統建設和執行,完成科學觀測計劃制定、指導科學探測任務的實施,負責有關科學數據的處理、研究工作,參與數據釋出,提供科學使用者支持。

    註:資料均來自於公開網路,侵刪