NASA罗曼空间望远镜月底升空，超大观测视场补齐哈勃、韦布短板

IT之家 8 月 26 日消息，尽管我们距离真正理解宇宙的本质仍有很长的路要走，但人类对宇宙的认知也达到了前所未有的程度。这在很大程度上要归功于日益强大的空间望远镜。

如今，只需几秒钟，你就能找到哈勃空间望远镜拍摄的深场图像：无数发光星系在时空曲率的作用下呈现扭曲形态；也可以看到詹姆斯 · 韦布空间望远镜拍下的画面，那些诞生于宇宙早期、笼罩在朦胧红光中的神秘天体仿佛来自时间的尽头。

更令人兴奋的是，这支空间望远镜“舰队”仍在不断壮大。很快，一台新的空间望远镜将从美国佛罗里达州 NASA 肯尼迪航天中心发射升空，它就是南希 · 格雷斯 · 罗曼空间望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope，以下简称“罗曼望远镜”）。

这台新望远镜有望为天文学带来新的突破。它将提供全新的宇宙图像，揭示此前难以获得的数据，并可能把人类带往目前甚至尚未意识到的研究方向。

罗曼望远镜是什么？

简单来说，南希 · 格雷斯 · 罗曼空间望远镜是一座长约 42 英尺（约合 12.7 米）的圆柱形金属空间观测站，计划于 8 月 30 日搭乘 SpaceX 的猎鹰重型火箭发射升空。

在为期 5 年的任务中（如果一切顺利，任务时间可能延长至 10 年），罗曼望远镜将依靠两台核心科学仪器，即广角仪器（Wide-Field Instrument，WFI）和日冕仪（Coronagraph Instrument），对大范围宇宙进行观测，并尝试回答一些关键科学问题。

它将帮助科学家研究暗物质和暗能量的奥秘，直接拍摄系外行星，观测大量恒星发生剧烈的超新星爆炸，以及开展更多宇宙研究。

不过，人们很难不把它与那些已经深刻改变我们认识宇宙方式的空间望远镜进行比较，尤其是目前最具代表性的两台 —— 哈勃空间望远镜和詹姆斯 · 韦布空间望远镜。

那么，罗曼望远镜究竟有哪些能力，是哈勃和韦布无法提供的？

这张哈勃照片中出现的多重影像效应是由一种被称为引力透镜效应的过程产生的罗曼望远镜与哈勃相比如何？

首先，罗曼望远镜相比哈勃的一大优势，在于其数据处理和巡天能力。

从数据量来看，哈勃空间望远镜在大约 35 年的服役时间里，累计收集了约 400 TB 数据。而罗曼望远镜预计每年就能够产生约 500 TB 数据。

IT之家注意到，NASA 局长贾里德 · 艾萨克曼今年 4 月在一场有关罗曼望远镜的新闻发布会上表示，罗曼望远镜的巡天能力比哈勃快 1000 多倍，单张图像能够覆盖的天空面积是哈勃的 200 倍。

他表示，如果交给哈勃完成，某些任务可能需要 2000 年，而罗曼望远镜只需一年。它拍摄的图像规模甚至可能大到现有任何一块屏幕都无法完整展示。

从主镜尺寸来看，罗曼望远镜的主镜直径约为 7.9 英尺，即约 2.4 米，与哈勃完全相同。

左侧是罗曼太空望远镜，右侧是哈勃望远镜

对于空间望远镜而言，主镜是最关键的部件之一，因为它负责收集来自宇宙的光线。镜面越大，能够收集的光线就越多，也就能够看到更暗、更遥远的天体。

值得注意的是，罗曼望远镜的主镜虽然尺寸与哈勃相同，但重量大约轻了 80%。它还配备了一面直径略小于 2 英尺、约 0.5 米的副镜。相比之下，哈勃的副镜直径约为 12.2 英寸，即约 0.3 米。

尽管两者的镜面尺寸相近，但凭借更强的数据处理能力以及广角仪器，罗曼望远镜能够一次观测远比哈勃更大的天空区域。

罗曼望远镜和哈勃一样具备可见光观测能力，但其广角仪器主要针对红外线观测。这也意味着，它更适合与哈勃的红外观测设备进行比较。

罗曼望远镜广角仪器的视场，大约是哈勃红外仪器的 100 倍。

NASA 表示，凭借如此宽广的视野，罗曼望远镜在服役期间将能够测量来自约 10 亿个星系的光线，以及更多数量级的其他宇宙现象。

NASA 指出，两台望远镜都可以进行光谱观测，也就是将光分解成不同颜色，通过分析光谱中的特征来获取详细信息。不过，两者的侧重点不同：罗曼望远镜将在更大的区域内进行分辨率较低的光谱研究，而哈勃则能够在较小区域内获得更高分辨率的数据。

这实际上概括了两台望远镜最核心的区别，也预示了罗曼望远镜与韦布之间的差异。

罗曼太空望远镜被封装在 SpaceX 公司的重型猎鹰火箭的有效载荷整流罩内罗曼望远镜与韦布相比如何？

罗曼望远镜和詹姆斯 · 韦布空间望远镜最大的共同点，就是都拥有强大的红外观测能力。

红外线与可见光不同，人眼无法直接看到。可以把它理解为一种“热信号”。例如，消防员可以利用红外探测设备，从建筑外部判断火场内部的高温区域。

而对于天文学而言，红外线同样极其重要。这也是为什么韦布望远镜强大的红外观测能力，使其在某些方面明显优于哈勃。

原因与光线在宇宙中的传播方式有关。

来自遥远宇宙区域的光线在向地球传播的过程中，需要穿越一个不断膨胀的宇宙。随着空间膨胀，原本较短、偏蓝的光波波长会被不断拉长，逐渐向偏红的方向移动。

当这种拉伸达到一定程度后，光线就会进入电磁波谱中的红外区域，而这一部分正是人眼无法看到的。

此外，一些位于浓密星际尘埃或气体云之后的天体，其可见光会被遮挡，人类只能通过它们发出的红外线进行观测。

这意味着，那些极其遥远的天体，以及隐藏在宇宙尘埃和气体之后的目标，往往对人类来说几乎“隐形”，因为它们的信息隐藏在红外波段之中。

因此，我们需要像韦布望远镜、哈勃红外仪器以及罗曼望远镜这样的“红外解码器”来发现它们。

韦布望远镜已经在这一领域取得了巨大成果。

它帮助人类看到了宇宙早期的一些奇特天体，不断刷新最遥远星系的观测纪录；它还利用红外能力重新拍摄了著名的“创生之柱”，让这片哈勃时代的经典宇宙景观呈现出截然不同的细节。

韦布望远镜甚至让我们重新认识了太阳系。例如，它拍下了海王星清晰的微弱光环，也让土星明亮而巨大的光环呈现出新的面貌。

在镜面尺寸方面，韦布望远镜标志性的金色主镜由 18 块六边形镜片组成，总直径达到 21 英尺 4 英寸，约合 6.5 米，远大于罗曼望远镜。

这意味着，韦布望远镜能够收集更多光线，因此能够观测到更加遥远、更加暗淡的宇宙目标。这也符合它的设计初衷 —— 尽可能深入宇宙早期，观察最古老的天体。

但韦布望远镜的弱项，也恰恰是它的视场范围。

当然，这并不是缺陷，而是设计选择。

韦布望远镜的核心目标，是以相对狭窄的视野深入观察宇宙，从而获得极高分辨率的细节。

罗曼望远镜无法达到韦布那样的观测深度，它拍摄的图像也会比韦布更“浅”。不过，罗曼望远镜的广角仪器能够观测的区域，大约是韦布望远镜的 50 倍。

韦布太空望远镜的巨大镜面

罗曼太空望远镜的反射镜

事实上，目前也有其他巡天望远镜能够一次拍摄大范围天空。

例如，位于地面的鲁宾天文台具有极强的数据收集能力，每隔约 40 秒就能够扫描新的天空区域。但鲁宾天文台位于地面，而空间望远镜则运行在地球大气层之外，不会受到大气扰动的影响，因此能够获得更高质量的观测数据。

说到这里，罗曼望远镜的定位已经十分清晰：它的观测深度不及哈勃和韦布，但拥有极其宽广的视野。

那么，这种“大视场”究竟有什么意义？

罗曼望远镜的真正价值

一次拍摄大范围宇宙非常重要，因为宇宙中的各种事件往往是同时发生的。

宇宙一端可能出现了一次超新星爆炸，而在另一片遥远区域，一次短暂的快速射电暴也可能同样具有重要的研究价值。

如果望远镜的视场非常狭窄，科学家就必须选择要重点观察的目标。

而如果连哪些目标值得观察都还不清楚，那么当你正在以极高分辨率研究一个古老黑洞时，很可能会错过几十个视场之外另一个更加古老、更加重要的目标。

罗曼望远镜可以减少这种“顾此失彼”的问题。

科学家不必再过度选择究竟扫描哪一片天空。按照设计，罗曼望远镜能够在大范围观测中，同时捕捉超新星、快速射电暴、黑洞辐射以及受到引力作用而发生形变的星系等目标。

NASA 举例称，罗曼望远镜的红外观测能力甚至可以帮助发现正在碰撞的中子星。中子星是极其致密的恒星残骸，一汤匙中子星物质的重量就可能相当于珠穆朗玛峰。

而由于韦布望远镜的观测视野较窄，它甚至可能根本不会偶然捕捉到这类事件。

当然，罗曼望远镜无法像韦布或哈勃那样，以极高的细节直接研究这些目标。其他望远镜，例如 SPHEREx 或欧几里得空间望远镜，也可能在某些方面具备更强的观测能力。

但罗曼望远镜的优势在于，它可以先发现这些目标的存在。

之后，科学家可以再利用韦布、哈勃或其他望远镜，对这些目标进行进一步观测。

从这个角度来看，罗曼望远镜就像是在为整个宇宙制作一张“热点地图”，告诉其他望远镜哪里可能值得进一步深入研究。

更大的视野，也意味着更大的科学价值

此外，在较短时间内获取数十亿个天体的信息，还将推动一些特殊领域的研究，例如寻找暗物质和暗能量的答案。

暗物质和暗能量合计约占宇宙总质量和能量的 95%，但它们本身无法被直接看到。

科学家之所以认为暗能量存在，是因为宇宙的膨胀正在加速，而这种加速似乎受到某种未知力量推动。

至于暗物质，人们则认为它像一种无形的“胶水”，通过引力帮助维系星系结构，使星系不会因为运动速度过快而像高速旋转的旋转木马上的物体一样被甩散。

因此，如果能够一次观测大量星系，科学家或许能够更清楚地了解暗宇宙与普通物质之间是如何相互作用的。

罗曼望远镜还能够以三维方式制作宇宙的延时“电影”，帮助科学家了解不同观测结果之间的关联，并将其他望远镜的数据放入更完整的宇宙图景中进行研究。

除此之外，罗曼望远镜的另一件核心设备 —— 日冕仪 —— 同样值得关注。

这套设备可以被理解为一种特殊的“人工日食”装置，它能够遮挡恒星极其明亮的光芒，让原本被恒星光辉淹没的天体显现出来。

目前正在运行的其他空间观测站中，没有哪一台能够像罗曼望远镜一样，利用这种日冕仪直接拍摄系外行星。

哈勃望远镜与詹姆斯 · 韦布太空望远镜拍摄的创生之柱影像并列展示

简单来说，这套设备可以阻挡遥远恒星的强烈眩光，再测量恒星周围光线的偏振特征，从而帮助科学家识别围绕这些恒星运行的系外行星。

NASA 表示，罗曼望远镜的日冕仪能够探测亮度仅为其母恒星一亿分之一的行星。这一能力预计将比现有空间日冕仪高出约 100 至 1000 倍。

这将让科学家有机会研究更多太阳系外的行星，包括那些更加暗淡、更加寒冷、距离更远，也更加难以发现的目标。

最后，有一个概念尤其值得记住。

2022 年韦布空间望远镜开始正式开展科学观测时，很多人都会下意识地将它视为哈勃的“升级版”。这其实很容易理解，尤其是当一台全新的望远镜不断传回令人惊叹的宇宙照片时，人们自然会认为它是在取代前辈。

但事实上，“升级版”或许是最不准确的描述之一。韦布并不是哈勃的简单升级，它是一台用途不同、能力侧重点也不同的望远镜。

所有这些空间望远镜的真正目标，也并不是互相取代，而是相互配合。

每一台望远镜都为人类提供一张观察宇宙的新“拼图”。当这些拼图不断叠加，人类才能逐渐看到更加完整的宇宙图景。

而罗曼空间望远镜即将带来的，就是其中一块令人期待的新拼图。