明晚某大国发射新望远镜！肩负五大神秘任务

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原作：NASA

翻译：王忠伟

校译：姜力萌

编排：王璞

后台：朱宸宇

https://science.nasa.gov/roman-and-hubble/

某大国计划于北京时间明晚19:26分发射南希・格雷斯・罗曼空间望远镜。该望远镜将拍摄宏大的宇宙全景图像，天文学家可借助这些图像开展各类研究，探索暗能量、暗物质、系外行星以及黑洞等诸多天体。尽管人们常常将它与同样出身于间谍卫星的哈勃空间望远镜作对比，但罗曼望远镜将以独特的方式开展宇宙观测，与哈勃形成观测互补。

概况

罗曼望远镜依靠一面直径2.4米的主镜收集来自宇宙深处的光线，这面主镜和哈勃望远镜的主镜尺寸相同。罗曼拍摄的图像拥有和哈勃同等锐利的分辨率，但单张图像所能覆盖的天区范围至少是哈勃的 100 倍。在投入观测的头五年，罗曼望远镜拍摄的天区总面积，将超过哈勃望远镜 30 年观测范围的 50 倍。

罗曼望远镜通过观测数十亿个宇宙天体，能够助力天文学家开展诸多需要海量样本支撑的前沿科学研究，例如系外行星统计特征研究与暗能量探索。罗曼望远镜还会对特定宇宙区域反复成像，完成宇宙延时摄影，对广阔活跃天区生成动态影像，捕捉那些闪烁、爆发又逐渐衰减的天文现象。

美国宇航局南希・格雷斯・罗曼太空望远镜（左）与哈勃太空望远镜（右）的艺术构想图，图中着重展示了两台望远镜核心位置处2.4 米的主镜。图源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

哈勃望远镜的观测波段为紫外、可见光与近红外（0.2‑1.7 微米）；而罗曼望远镜的观测波段覆盖可见光，以及更深层的红外波段（0.5‑2.3 微米）。两台设备都可以开展光谱分析 —— 将光线拆解为不同色光，通过光谱特征获取天体的详细信息。不过，罗曼望远镜针对大天区开展光谱观测，光谱分辨率较低；哈勃望远镜则针对小范围天区，拥有更高的光谱分辨率。

罗曼望远镜能够对广阔宇宙开展快速巡天，揭示广袤深邃的宇宙空间。哈勃望远镜的视场更窄，但二者观测波段存在重叠，且哈勃具备高分辨率光谱观测能力，可对部分相同天体做跟进观测，帮助科学家拼凑出更完整的宇宙图景。两台望远镜还会以不同方式探究同一批宇宙谜题，推动天文学家一步步解开各类宇宙疑问。

该动画对比了美国宇航局哈勃空间望远镜与南希・格雷斯・罗曼空间望远镜的成像尺寸与观测覆盖范围。哈勃望远镜的广角相机3432个点覆盖了罗曼望远镜只用两个点就能覆盖的大致相同的区域。

图源：美国宇航局戈达德太空飞行中心 / 喷气推进实验室‑加州理工学院

恒星观测任务

罗曼望远镜朝向银河系中心观测的模拟图像，该范围占罗曼望远镜银核时域巡天总观测面积的比例还不足 1%。模拟恒星数据取自贝桑松银河系模型。

罗曼望远镜将实现人类对银河系核心区域最深层次的观测之一，助力天文学家研究数亿颗恒星。从地球视角来看，这些遥远恒星大多亮度微弱、恒星分布拥挤，或是被宇宙尘埃遮蔽，其它望远镜很难对其开展观测。

依托这些观测数据，科研人员可以对数十万颗红巨星开展星震学研究：分析恒星气态内部声波震荡引发的亮度变化，以此了解恒星的内部结构、年龄以及其他特性。同一批观测数据还能发现遥远天体，以及流浪行星、孤立黑洞等一众难以搜寻的宇宙天体。

罗曼望远镜还会在可见光与红外波段测绘恒星形成区、年轻的疏散星团以及古老的球状星团。哈勃望远镜可以放大观测这些恒星系统，通过紫外波段成像，帮助人类更加透彻地理解恒星生命周期，以及恒星如何塑造星际介质、推动星系演化。两台望远镜协同工作，能够帮助我们进一步厘清恒星形成过程、恒星诞生的环境，以及不同类型恒星的特性。

行星观测任务

这幅艺术概念图展示了一颗被冰层覆盖、质量与地球相当的流浪行星，正独自在太空中漂浮。

图源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

罗曼望远镜将利用微引力透镜效应，预计发现上千颗远离宿主恒星运转的行星。这些行星所在的行星系统距离地球之远，超出以往所有探测任务的能力范围。

从地球观测视角，当两颗互不关联的恒星近乎排成一条直线时，距离更近的恒星及其周围环绕的行星，会如同透镜一般弯折后方恒星的光线，产生短暂的亮度激增现象。其他行星探测手段通常更擅长寻找距离宿主恒星很近的大质量行星；而微引力透镜法可以探测到和太阳系行星更为相似的天体，填补人类在系外行星统计特征研究领域的一大空白。

借助同一套观测数据，科学家预计还能再发现 10 万颗行星，这依靠的是另一种观测效应：监测行星从宿主恒星前方掠过时造成的周期性亮度变暗，该现象被称为凌星。借助这一技术，罗曼望远镜甚至能探测到远在银河系另一端的行星。除此之外，罗曼望远镜还将直接拍摄行星影像，成像灵敏度达到全新高度。

罗曼望远镜预计发现的许多行星都过于暗淡、距离太过遥远，但其中一部分可以作为候选观测目标，交由哈勃望远镜进行聚焦观测，完成单一行星系统和行星大气的光谱分析。这将帮助天文学家更好地了解系外世界的环境条件，评估它们是否具备宜居潜力。

星系观测任务

罗曼望远镜将开展跨宇宙时间尺度的大规模星系巡天，为人类呈现宏大的宇宙生态图景。

单次罗曼巡天项目就能够探测数十亿个星系，为研究星系演化提供全新线索。天文学家能够以比当前测量结果高出10倍的精度，通过分析星系的形态与距离，研究暗能量的作用（这种神秘的宇宙压强被认为是宇宙加速膨胀的诱因）。这些观测数据同样会助力天文学家进一步研究暗能量。

哈勃望远镜可对这些巡天成果做补充，通过紫外成像与光谱观测，捕捉其他星系内部炽热的年轻恒星，追溯星系的恒星形成历史。针对罗曼望远镜观测中发现的有趣天体与天文现象，哈勃还可以跟进观测，凭借自身独有的观测波段与光谱能力，更加细致地研究目标天体的物理机制。

罗曼望远镜还可以在哈勃经典观测成果之上继续探索，例如哈勃超深场图像。一片看似空无一物的狭小天区，实际上遍布着成千上万个星系，每个星系都包含数十亿颗恒星。罗曼望远镜可以凭借更大的视场完成同类观测，发掘数百万个星系。罗曼版超深场图像将拥有和哈勃同等的清晰度，能够回溯到同样久远的宇宙时期，而覆盖的天区面积却高出数百倍，带给人类更为开阔的宇宙生态视野。

暗宇宙观测任务

这张哈勃望远镜的非凡影像展示了阿贝尔 2813 星系团。该影像极为直观地呈现了引力透镜效应这一概念。在属于该星系团的众多点状、螺旋状与椭圆形星系之中，可以看到数个清晰的月牙形结构。这些弯曲的光弧来自遥远的星系，它们的光线被前景星系团强大的引力场放大并扭曲。

图源：美国宇航局、欧洲空间局、D Coe

天文学家依靠哈勃望远镜对数十个Ia型超新星的观测，发现了宇宙正在加速膨胀这一事实。罗曼望远镜将继承哈勃的研究成果，搜寻数以万计的这类爆发恒星，其中包括极其遥远的超新星，为探究暗能量的本质、暗能量在宇宙演化历程中的变化规律提供更多线索。

通过分析散布在不同时空当中的数百万个星系，罗曼望远镜还将采用另一种途径探测暗能量。该望远镜宏大而深邃的全景观测，将为检验解释宇宙加速膨胀的主流理论提供迄今为止最佳的机会。

罗曼望远镜还将探索宇宙另一大黑暗谜团：暗物质。这种奇特的不可见物质，人类只能通过它对普通物质产生的引力效应感知其存在。借助引力透镜效应，罗曼大范围巡天将以前所未有的规模测绘宇宙结构以及暗物质的分布。引力透镜是一种观测效应：星系团这类大质量天体能够扭曲时空，光线从天体周边经过时会发生偏折、扭曲与放大。

引力透镜相当于天然的望远镜，拓展人类的观测视野，让我们得以看到原本无法探测的遥远天体。哈勃率先对这类 “天然望远镜” 开展观测，不仅印证了爱因斯坦的相关理论，还为天文学家研究大质量星系、建立透镜效应模型提供工具，帮助人类窥见更早期的宇宙。罗曼望远镜会把引力透镜观测推向全新高度。它的灵敏度足以探测弱引力透镜效应，捕捉暗物质团块如何扭曲遥远星系的影像。通过在这一尺度观测透镜效应，科学家能够进一步填补人类对暗物质认知的诸多空白。

黑洞观测任务

这幅艺术构想图以充满想象力的方式描绘了小型原初黑洞。实际上，这类微型黑洞很难形成图中使其能够被观测到的吸积盘。

图源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

哈勃望远镜凭借出色的成像能力，以及可见光、紫外观测能力，彻底革新了人类对黑洞的认知。哈勃首次证实超大质量黑洞真实存在，并且证明绝大多数星系的中心都坐落着超大质量黑洞；它还帮助天文学家找到了第一颗得到确认的孤立恒星级黑洞。

罗曼望远镜将在这些观测成果的基础上看得更远：它能够捕捉向宇宙空间喷射剧烈辐射流的超大质量黑洞，还能发现多种小型黑洞，包括孤立恒星级黑洞，甚至有可能发现古老的地球质量级黑洞。它还能观测中子星（大质量恒星耗尽核燃料后遗留的致密内核）并合诞生黑洞的过程，也能记录潮汐撕裂事件（恒星坠入黑洞时释放的耀斑）。罗曼望远镜宽广而深邃的观测视野，将帮助天文学家理解黑洞如何在广袤的时空范围内影响宿主星系，同时发现大量全新黑洞。

两台望远镜将协同工作：罗曼望远镜批量发掘宇宙各处不计其数的黑洞，哈勃则可以挑选极具研究价值的黑洞，开展光谱以及多波段后续观测。

展望未来

哈勃望远镜升空至今的 35 年间，向人类展示了各式各样的宇宙现象，为我们揭开宇宙的神秘面纱，让人类得以近距离领略宇宙的面貌。在此过程中，哈勃带来的诸多重大发现，例如暗能量的存在以及超大质量黑洞的普遍分布，都源于它以前所未有的视角观测宇宙。罗曼望远镜将延续这份观测事业，扫描大片天区。而完成同等范围的观测，哈勃需要数百年甚至上千年。同时罗曼还可以对哈勃独有的观测领域形成互补。宇宙之中，还藏着多少未知惊喜，我们拭目以待。

责任编辑：DAIKIN

牧夫新媒体编辑部

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图片来源 NASA