间谍卫星改邪归正，献身科研月底上天

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翻译：姜力萌

校译：姚顺仪

编排：刘斯媛

后台：朱宸宇

https://penntoday.upenn.edu/news/once-spy-satellite-now-telescope-eye-cosmos

“南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜”，简称罗曼太空望远镜，原名大视场红外巡天望远镜，是以NASA首位首席天文学家南希·格蕾丝·罗曼命名的。她在推动哈勃太空望远镜项目方面发挥了关键作用。这台新望远镜计划最早于2026年8月发射，其观测范围将远超哈勃望远镜——至少扩大100倍以上。预计该望远镜在任务期间将收集来自10亿个星系的光线，并通过屏蔽恒星光线，观测太阳系外的行星以及行星诞生的星盘。它将有助于解答关于暗能量、太阳系外行星以及红外光下宇宙的重大科学问题。

图源：美国宇航局

美国宇航局正在为备受期待的“南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜”的发射做准备，计划最早于2026年8月30日搭乘SpaceX公司的“猎鹰重型”火箭从肯尼迪航天中心发射升空，比原定计划提前了整整九个月，这也让某东方大国的新任鸽王颇为尴尬。对罗曼上天一事，天文学和宇宙学界早已为此兴奋不已。这款被誉为“哈勃的大眼睛表亲”的尖端望远镜，有望彻底改变我们对系外行星及更遥远宇宙的认知。

宾夕法尼亚大学文理学院物理与天文学系教授布夫内什·贾恩（Bhuvnesh Jain）表示：“这台哈勃级望远镜的视场将比哈勃望远镜的红外仪器大100倍，意味着罗曼望远镜将能在更短的时间内观测到更广阔的天空区域。”

该望远镜的广角成像仪将拍摄出巨幅且极其清晰的图像。要查看一张由罗曼望远镜拍摄的、原生分辨率达3亿像素的单张照片，需要将37块4K超高清屏幕拼接在一起。

贾恩教授以及同系的同事迈克尔·贾维斯（Michael Jarvis）、佐古正雄（Masao Sako）和罗宾·桑德森（Robyn Sanderson），都是热切期待罗曼太空望远镜开启宇宙之旅的人。他们都是宾夕法尼亚大学粒子宇宙学中心的成员，并隶属于一个由全球顶尖专家组成的团队。该团队正在开发分析软件，以从罗曼太空望远镜拍摄的图像中提取科学发现。宾大团队是该项目中规模最大的大学主导团队，已获得超过400万美元的资助，用于组建一支由最多12名学生和博士后研究员组成的团队。研究人员将开展三项关键研究：分析数十亿张星系图像，绘制宇宙早期暗物质分布图；研究遥远光线随时间的变化；以及探测银河系最微弱的邻近天体。罗曼太空望远镜预计将发现约10万颗新行星。

四位教授，从上至下分别是贾恩、佐古正雄、贾维斯和桑德森。

图源：宾夕法尼亚大学。

从偷窥者到科学家

贾恩教授表示，这一进程始于2011年，当时负责为美国中央情报局（CIA）、国家安全局（NSA）及其他政府机构制造监视设备的国家侦察局（NRO）联系了美国宇航局（NASA）。贾恩教授说：“他们当时打来电话说，在纽约州北部的一个仓库里有几颗间谍卫星闲置着。他们认为NASA可能会对它们感兴趣，因为上面搭载了一些最先进的仪器，可以被改造成朝另一个方向——也就是太空——进行观测”。众所周不知的是，这一桥段也曾发生在哈勃的身上，哈勃的主镜来自于洛马公司的KH-11侦察卫星备用镜坯。

贾维斯教授表示，美国宇航局对这一提议很感兴趣（毕竟也是轻车熟路了），几乎立即就派了几位天文学家前去检查这些卫星。他提到：“当这几位天文学家来到这个仓库时，简直就像进了糖果店的孩子一样，因为这些望远镜的性能远远超出了我们在科学项目极度紧缩的预算下所能预期的水平。国家侦察局竟然拥有两台从未升空过的‘哈勃级’望远镜！并且还愿意无偿转让！这更让整个事情显得荒谬。尽管如此，我们很高兴这件事为罗曼太空望远镜拉开了序幕。”

研究人员解释说，尽管国家侦察局（NRO）已准备将这些卫星赠予美国宇航局（NASA）的天文学家，但仍需论证这些卫星的具体用途，以及NASA如何承担将它们改装为星际观测设备并送入轨道的费用。贾恩教授解释道：“结果我们发现，由于这些仪器原本是用于秘密行动的，其中很多设备我们都无法使用。”

贾恩教授和贾维斯教授指出，罗曼太空望远镜项目的实施时间恰逢备受期待的韦布空间望远镜（JWST）发射，这给罗曼团队带来了一系列挑战：作为一项备受科学界和公众高度关注的旗舰任务，JWST 吸引了 NASA 大量关注和资源。相反，研究人员强调了罗曼太空望远镜互补性的科学目标，以及重新利用现有高质量硬件所带来的成本效益。

贾恩教授与来自加州理工学院和杜克大学的同事们一起，多次前往华盛顿特区，为该项目争取支持，并展示了将这台“间谍望远镜“转用于宇宙学研究的价值和潜力。贾恩说道：“最终，我们成功帮NASA筹集了超过10亿美元的资金，使该项目走上了发射的轨道。”

最初的最初：WFIRST

桑德森教授指出，罗曼太空望远镜最初被命名为“大视场红外巡天望远镜”（WFIRST），并补充说明，这里其实有个自嘲的梗：WFIRST 这个名字，里面包含了first，好像在说自己是No.1，但其实它排在后头。“这个名字可以追溯到2010年该领域的十年规划。当时有两个相互竞争的提案：一个任务旨在观测系外行星，另一个任务则旨在研究宇宙学。”

桑德森教授表示，在此次规划中，NASA意识到，他们可以利用同一台望远镜同时开展这两方面的研究。“但在学术界，关于是否应该这样做曾经有过一场激烈的争论。在宇宙学领域，罗曼太空望远镜现在将试图更深入地理解的一点，就是宇宙因暗能量而导致的膨胀率加速现象。这一现象通过一个被人们简称为W的参数来表征。因此，当他们将这两项任务合并时，他们希望明确表明其中一项是首要任务。”

桑德森教授解释说，WFIRST于2020年更名为“南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜”，以纪念这位美国宇航局的天文学家。“她是美国宇航局的首任首席天文学家，在争取国会为哈勃望远镜提供资金方面发挥了重要作用，因此在天文学界，她被誉为‘哈勃空间望远镜之母’。”

图中展示的是罗曼的主要仪器——广角仪器。它将为科学家们提供天空图像，每张图像的尺寸都大于满月的视直径。

图源：NASA.

20世纪70年代，南希·格蕾丝·罗曼曾担任NASA戈达德太空飞行中心的首任首席天文学家。由于她在开发哈勃太空望远镜等轨道观测站方面发挥的重要作用，罗曼被誉为“哈勃之母”。

图源：NASA/Interim Archives/Getty Images

期望的观测目标

佐古正雄教授在罗曼项目中的工作主要涉及观测Ia型超新星，并将重点利用这些恒星爆炸作为宇宙学工具来探究暗能量的本质。暗能量，这种于1998年被发现的神秘力量约占宇宙总质量的70%。他解释说，Ia型超新星对此研究特别有用，因为它们可以作为“标准烛光”。也就是说，通过了解这些超新星的固有亮度，天文学家可以准确测定它们与地球之间的距离。

佐古正雄教授还提到：“除了观测超新星外，罗曼太空望远镜还将开展大规模的星系巡天。而这些巡天能为超新星研究提供丰富的背景信息，使我们能够将超新星的性质与其宿主星系的特征联系起来，从而深入了解超新星的前身星及其所处的环境。”

他还提到了，罗曼太空望远镜将提供深空和广角成像能力，使研究人员能够观测到大片天区内的大量Ia型超新星。这对在广泛的红移范围内识别和研究这些超新星至关重要。所谓红移，是指来自太空的天体（如恒星、星系或超新星）的光线在向观测者传播的过程中，波长变长、色偏向红的现象。这种偏移可在天体的光谱中观察到：光谱线（即元素吸收或发出的特定波长的光）会向光谱的红端偏移。

贾恩教授和贾维斯教授的团队则致力于引力透镜研究，利用像素级数据来探索暗物质、暗能量以及早期宇宙。贾恩教授解释道：“引力透镜是爱因斯坦广义相对论所预言的一种现象，即一个大质量天体（如星系团）的引力会弯曲并放大来自其后方遥远天体的光线，”他与宾夕法尼亚大学校友蒂姆·艾弗勒（现任亚利桑那大学教授）共同领导罗曼项目的宇宙学研究工作。他指出，新的人工智能技术将是从数据中提取信息的关键。

这张鹰状星云的模拟图像突显了罗曼太空望远镜相较于哈勃望远镜（较小的正方形）更宽广的视场。

图源：STScI， NASA

贾维斯教授进一步补充道：“这一效应可用于绘制暗物质的分布图，并研究暗能量的性质，因为它会影响宇宙的结构和演化。罗曼太空望远镜的广角成像能力让我们能够对引力透镜效应进行详细观测，并覆盖广阔的天空区域。”

桑德森教授参与罗曼太空望远镜项目，是源于他对暗物质及其对星系形成的影响的浓厚兴趣。他打算用罗曼太空望远镜来追踪银河系内的恒星运动，以此期能揭示该星系的宏观结构。

桑德森教授说：“我们称其为‘星系考古学’，一个通过研究古老恒星来拼凑宇宙起源这一宇宙之谜的领域。”

桑德森教授的研究方法将充分利用罗曼太空望远镜在微弱引力透镜效应和暗星观测方面的先进能力，这些能力对于剖析星系结构与动力学的复杂性至关重要。此外，他还将致力于探索利用罗曼望远镜的各项功能开展其他科学观测的新途径。“我们获得了为期五年的资助，用于研究如何开展‘罗曼’式的巡天观测，对其进行模拟，并探索如何在观测次数不变的情况下获取最多的信息。”

除去上述提过的观测方向，罗曼太空望远镜还将测量重子声学振荡。这是一种在大爆炸后最初38万年间，当宇宙充满等离子体时，曾以极高速度穿梭于宇宙中的声波。这些波于2005年被发现，随着宇宙的膨胀，它们被“冻结”在时间中；根据预测，这本应导致星系之间的预期距离约为5亿光年。普林斯顿大学的天体物理学家内塔·巴卡尔（Neta Bahcall）表示，任何与这一距离的偏差“都能告诉你宇宙的膨胀是如何随时间演变的，并且帮助我们确定暗能量和暗物质的性质。”

加州大学默塞德分校的天体物理学家安娜·尼伦伯格（Anna Nierenberg）也指出，罗曼太空望远镜还将帮助缩小暗物质可能由何种物质构成的范围。罗曼望远镜应能发现数百个引力透镜，并利用它们排除某些暗物质模型。

尾声：改邪归正搞科研，浪子回头犹可期

这架望远镜是在命运的奇妙转折中诞生的，它因种种原因本不该存在，然而它却屹立于此，准备将目光投向苍穹。从某种意义上说，它的最终使命与当初建造它的初衷相去不远：揭开未知秘密——只不过这次，它不再窥向别人的后院，是探索宇宙的奥秘。

参考：

https://penntoday.upenn.edu/news/once-spy-satellite-now-telescope-eye-cosmos

https://www.wtap.com/2026/08/18/nasas-next-gen-roman-space-telescope-set-historic-launch/

https://www.scientificamerican.com/article/how-nasa-turned-a-spy-satellite-into-the-nancy-grace-roman-space-telescope/

责任编辑：DAIKIN

牧夫新媒体编辑部

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图片来源：NASA

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