NASA新一代太空望远镜的变形镜，或让我们看见另一个木星

（来源：麻省理工科技评论）

如果一切顺利，NASA的南希·格蕾丝·罗曼（Nancy Grace Roman）太空望远镜最早将在下月底发射升空。届时，它将尝试完成天文学史上最精密的一次“隐去恒星”。望远镜上搭载了一台此前从未进入太空的“主动日冕仪”。在拍摄过程中，它能尽可能压低恒星发出的强光，让原本被淹没在光芒中的行星显现出来。借助这套设备，天文学家有望第一次直接拍到与太阳系行星相似的系外行星。更长远来看，它也可能为未来寻找“第二个地球”的任务铺路。

“我希望未来人们记住它，是因为它成为了寻找地球 2.0 过程中关键的一步。”NASA 喷气推进实验室（JPL）的首席机械工程师布兰登·克里格（Brandon Creager）说。

这台望远镜以 NASA 首任天文学主管南希·格蕾丝·罗曼（Nancy Grace Roman）命名。它将搭载一台约 3 亿像素的广角相机，在分辨率相近的情况下，单次拍摄范围约为哈勃太空望远镜最大视野的 100 倍。这项能力将帮助天文学家进一步研究暗物质和暗能量，也有望发现约 10 万颗新的系外行星。所谓系外行星，就是太阳系之外的行星。虽然许多行星无法被直接看见，但当天体从更遥远恒星前方经过时，会改变星光传播的路径，天文学家可以由此判断它们是否存在。

哈佛大学研究员哈维尔·维亚尼亚（Javier Viana）已有两个项目入选罗曼望远镜竞争激烈的首年观测计划。他把这次能力跃升形容为：从“采访几个人”一下变成“开展全球人口普查”。

罗曼还搭载了另一台与日冕仪配合工作的相机。它每次锁定一个恒星系统，并尽量遮住恒星本身的光。这将让天文学家以前所未有的方式观察恒星周围的区域，看到体积更小、亮度更低、也更靠近母恒星的系外行星。“它让我们有机会真正看到那些以前从未被直接看到的行星。”克里格说。

日冕仪并不是新技术。哈勃（Hubble）和詹姆斯·韦布（James Webb）太空望远镜上都搭载了类似设备，但它们主要依靠固定结构遮挡恒星刺眼的光芒。这种方法有一定效果，但就像在黑暗房间里寻找萤火虫时，用手指挡住手电筒。灯泡虽然被遮住了，周围漏出的光仍然可能盖过萤火虫。

在望远镜内部，这些多余的光可能来自机械结构边缘，也可能来自镜面和涂层上极其细微的瑕疵。星光经过这些位置时会被散射，形成一个个亮斑。它们不仅可能遮住真正的行星，甚至还可能被误认为行星。

罗曼望远镜的不同之处在于，它会尝试主动处理这些残余光线。每次观测前，系统都会先测量没有被完全挡住的星光，再进一步将它们压低。这项技术被称为“主动波前控制”。罗曼之所以能做到这一点，是因为内部安装了两面能够轻微变形的反射镜。

每面镜子的薄玻璃下方，都排列着一个 48×48 的微型致动器阵列。这些致动器类似极小的活塞。通入微弱电压后，它们会收缩，轻轻拉动对应位置的镜面，就像数千根微型手指同时调整镜子的形状。而它的调整幅度极其细微：每一小块镜面最多只能移动 0.5 微米，大约相当于一株大肠杆菌长度的四分之一；最小调节幅度则只有约 10 皮米。JPL 项目系统工程师伊利亚·波别列日斯基（Ilya Poberezhskiy）说，这大约只有氢原子直径的十分之一。

通过这些致动器，反射镜可以把不同位置调整到精确角度，让不需要的光波彼此抵消。它的原理有点像降噪耳机，只不过耳机抵消的是声音，罗曼抵消的是光。当星光被进一步压低后，恒星周围会形成一圈较暗的区域。波别列日斯基说：“我们会在这片区域压制星光，并希望从中找到系外行星。”

相比现有的太空日冕仪，这套系统预计可将行星从母恒星强光中分离出来的能力提升最多 1,000 倍，从而看见此前暗到无法探测的行星。和哈勃、詹姆斯·韦布一样，罗曼也会使用遮光掩模。它们是放置在光路中的特殊薄片，用来挡住不需要的光子。

其中一种结构被称为“硅草”：一些掩模表面布满了微小尖刺，形成类似草丛的结构。在特定工作模式下，这些尖刺可以吸收光线，避免光在望远镜内部来回反射，最终误入探测器。光线一旦进入这片微型草丛，就会不断在尖刺之间反射，并逐渐深入，最终被困在其中，而不是重新弹向相机。

这些反射镜和掩模共同组成了一套层层过滤的光路系统：尽可能挡住恒星光，同时把微弱的行星光送到最终的探测器中。这套复杂系统，可能会开启系外行星直接成像的新阶段。

到目前为止，人类直接拍到的系外行星，几乎都是体积巨大、年龄很轻的气态行星，与太阳系中的行星差异很大。它们的质量通常是木星的数倍，还保留着形成初期的热量，而且距离母恒星非常遥远，轨道半径可能是日地距离的几十倍甚至上百倍。这些行星之所以容易被拍到，是因为它们体积大、温度高，在红外波段更亮；同时，它们离母恒星足够远，也更不容易被强烈的星光掩盖。

罗曼望远镜则可能直接拍到一颗真正接近木星的行星：质量与木星相似，围绕一颗类太阳恒星运行，与母恒星的距离大约是日地距离的数倍。它不会像目前常被直接拍到的年轻“热木星”那样强烈散发自身热量，而更像太阳系中的木星。经过数十亿年冷却后，它主要依靠反射母恒星的光被我们看见。

过去，天文学家通常通过恒星的轻微摆动来推测这类行星的存在。行星的引力会拉动恒星，使其运动出现周期性变化。罗曼则会直接收集行星反射出的星光。

“我们看的不是恒星，也不是行星给恒星带来的影响。”约翰斯·霍普金斯大学天文学教授梅雷迪思·麦格雷戈（Meredith MacGregor）说，她也参与了罗曼望远镜的观测项目。“我们真正看到的是行星本身。这一点非常重要。”

等到这台仪器正式投入使用，接下来就是科学家面对海量数据的时候了。“老实说，我甚至有点担心大家要怎么处理这些数据，因为它们实在太多了。”麦格雷戈说，“几十年后，可能仍然会有人在研究罗曼留下的数据。”

不过，短期内不要期待看到一张高清的木星照片。罗曼无法把这样的行星拍成一个轮廓清晰的球体。即使观测成功，它很可能也只会呈现为几个像素组成的小亮点。但麦格雷戈认为，这已经足够重要。

罗曼可以借助日冕仪分析这颗行星在不同波长下的光，由此判断其大气中可能含有哪些化学成分。“你原本看到的只是一个光点，但现在可以开始把它理解成一个真正的世界。”她说，“一旦知道了它的大气成分，就能进一步推测这颗行星表面的状况，以及那里是否可能存在生命。这是非常大的一步。”

在最初的观测阶段，科学家和工程师需要验证一系列关键能力：能否让恒星始终稳定地对准日冕仪掩模中心，能否精确调整反射镜，能否在恒星周围“挖出”那圈暗区，以及在航天器飞行、温度不断变化的情况下，整套系统能否持续保持稳定。

这些结果将为 NASA 拟议中的“宜居世界天文台”提供重要参考。对许多研究系外行星的天文学家来说，这几乎是一项梦想中的任务。理论上，它将有能力从一颗类太阳恒星的强光中分离出类地行星的光，而前者可能比后者亮 100 亿倍以上。

克里格（Creager）从 2018 年起就参与这套仪器的研发。他对团队取得的成果感到非常自豪。“没有多少人能说，‘我造了一个设备，它正在拍摄一颗围绕 50 光年、甚至 100 光年之外的恒星运行的行星。’”

那颗行星或许最终只会显示为一个微小的亮点，但罗曼真正的突破，是在它周围人为创造出了一片足够深的黑暗。

https://www.technologyreview.com/2026/07/22/1140701/shape-shifting-mirrors-roman-space-telescope/