瞿立建｜撰文

寂寞帅猫｜编辑

8月30日，美国国家航空航天局（NASA）的新一代大视场空间天文台——南希·格蕾丝·罗曼空间望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope），搭乘SpaceX猎鹰重型运载火箭升空。

罗曼空间望远镜常被拿来与哈勃空间望远镜比较。两者的主镜直径都是2.4米，在近红外波段可以达到相近量级的空间分辨率，但它们的任务并不相同。哈勃更擅长对较小天区和单个目标进行精细观测，罗曼则把这种精细观测能力扩展到极大的天空范围。它搭载的广域仪器一次能够看到的天空面积至少约为哈勃的100倍，大面积巡天效率最高可提高约三个数量级。

这种大视场巡天能力也意味着前所未有的数据规模。按照NASA给出的估算，罗曼一个月产生的数据量就可能达到哈勃过去约30年累计数据量的两倍左右。

借助这些数据，罗曼将对银河系中的系外行星进行大规模统计，并研究宇宙膨胀、暗能量和暗物质等问题。与许多传统空间望远镜不同，罗曼的观测数据原则上不设研究团队独占期，经基本处理后，即向全球科研人员公开。

罗曼望远镜。图源：NASA

美国国家科学院大约每十年会组织一次天文学与天体物理学调查，为美国未来十年的大型天文项目确定科学优先级。

2010年的《天文学和天体物理学十年调查》把大视场红外巡天望远镜（Wide Field Infrared Survey Telescope，WFIRST）列为大型空间项目中的最高优先级任务。它的核心目标包括研究暗能量、开展大规模近红外巡天，以及普查银河系中的系外行星。

然而，WFIRST的起步并不轻松。

当时NASA仍在研制詹姆斯·韦布空间望远镜。韦布项目进度严重滞后，预算大幅超支，在这种情况下，再启动另一项大型空间天文任务面临很大的财政和政治压力。

转折出现在2012年。

负责美国侦察卫星项目的美国国家侦察局（National Reconnaissance Office，NRO）向NASA转交了两套闲置的2.4米级空间望远镜光学系统。它们原本原本用于侦察卫星项目，主镜口径与哈勃空间望远镜相当。

这些设备并不是可以直接发射的完整空间望远镜，仍然需要重新设计、改造和配置探测仪器，但它们为WFIRST提供了更强大的光学基础，也减少了预算压力。NASA随后围绕2.4米主镜重新设计任务，使WFIRST获得了比早期设想更强的观测能力。

2016年，NASA正式批准WFIRST进入项目研制阶段。此后，该项目也曾面临预算削减甚至取消的风险，但最终获得美国国会继续拨款。

2020年，NASA正式将WFIRST命名为南希·格蕾丝·罗曼空间望远镜，以纪念美国空间天文学的重要奠基者南希·格蕾丝·罗曼（Nancy Grace Roman）。她曾担任NASA首任天文学主管，也是NASA早期最重要的女性高级管理人员之一。她在推动空间天文学发展、特别是在哈勃空间望远镜早期规划过程中发挥了重要作用，因此被誉为“哈勃之母”。

南希·格蕾丝·罗曼，摄于1972年。图源：Wikimedia Commons

经过多年研制，罗曼空间望远镜于2026年8月30日搭乘SpaceX猎鹰重型火箭升空，随后将飞往距离地球约150万公里的日地L2拉格朗日点附近。抵达目标区域后，望远镜还需要完成展开、校准和一系列在轨调试，之后才会正式进入科学观测阶段。

罗曼主要工作在可见光至近红外波段，大约覆盖0.5-2.3微米。近红外观测具有一个重要优势：与可见光相比，较长波长的光受到星际尘埃的影响更小。因此，罗曼能够更有效地观察被尘埃遮挡的恒星形成区、银河系核球以及大量遥远星系。

真正让罗曼具备超强巡天能力的，是它搭载的广域仪器（Wide Field Instrument，WFI）。

WFI有约3亿像素，由大型近红外探测器阵列组成，单次曝光覆盖的天空面积略大于一轮满月。在保持较高空间分辨率的同时，它能够一次覆盖远大于哈勃的天空区域，从而快速观测数以亿计的恒星和星系。

罗曼空间望远镜广域仪器（WFI）及其主要组件。WFI拥有约3亿像素，是罗曼开展大面积近红外巡天的核心仪器。图源：NASA

除了WFI，罗曼还搭载了一台特殊的日冕仪（Coronagraph Instrument，CGI）。直接拍摄系外行星最大的困难之一，是恒星远比它周围的行星明亮。对于远处的行星系统而言，恒星强烈的光很容易完全淹没行星微弱的反射光。

日冕仪的作用，就是尽可能抑制恒星光，使附近非常暗弱的目标显现出来。罗曼日冕仪预计能把恒星的强光压低到原来强度的约一亿分之一，从而看清原本被恒星光芒淹没的暗弱行星。

不过，CGI首先是一项技术验证任务，而不是罗曼大规模寻找类地行星的主力仪器。它真正重要的意义在于，为未来能够直接拍摄和分析类地系外行星的大型空间望远镜验证关键技术。

当前，人类已经确认太阳系外行星数目是6400左右。这只是银河系行星世界中极小的一部分。罗曼最重要的科学任务之一，就是对银河系中的行星进行大规模统计普查。

罗曼将重点利用引力微透镜法（gravitational microlensing）寻找系外行星。当前景天体恰好从远方背景恒星与观测者之间经过时，其引力会弯曲背景恒星发出的光，使背景恒星在一段时间内显得更亮。

这个前景天体可能是一颗普通恒星，也可能是褐矮星、中子星、黑洞，甚至是不围绕任何恒星运行的流浪行星。如果它是带着一颗行星的恒星，行星自身的引力会在原有的增亮曲线上叠加一个较小的异常信号。

通过分析这些细微变化，天文学家可以测量行星与宿主恒星之间的质量比、投影距离等参数；并进一步估计它们的实际质量。

利用引力微透镜寻找系外行星的原理示意图。当前景恒星及其行星经过背景恒星视线附近时，其引力会使背景恒星亮度发生具有特征性的变化。图源：NASA

过去30多年，系外行星微引力透镜研究主要依赖地面望远镜，并已经发现数百颗行星。

不过，地面观测会受到天气、昼夜交替和大气扰动等限制，在恒星极为密集的银河系中心区域，也更难把彼此靠得很近的恒星清楚地区分开。而罗曼则可以在太空中持续监测银河系核球附近的密集恒星区域。NASA预计，它可能通过微引力透镜发现超过1000颗系外行星。

在持续监测银河系核球数亿颗恒星时，罗曼还可能通过“凌星法”发现大量行星：如果一颗行星的轨道恰好从我们和恒星之间经过，它每次从恒星前方掠过时，都会遮挡一小部分星光，使恒星亮度出现规律性的下降。NASA预计，罗曼的这套长期监测数据中可能识别出约10万颗凌星行星或行星候选体。

上述两种方法能够覆盖不同类型的行星：凌星法特别容易发现靠近宿主恒星、轨道周期较短的行星，而微引力透镜对距离恒星更远的冷行星更加敏感，也有能力寻找低质量行星和流浪行星。结合两类观测，天文学家可以更全面地统计银河系中不同质量、不同轨道的行星，，进一步了解行星在银河系中有多普遍，以及太阳系这样的行星系统是否常见。

现代宇宙学通常用ΛCDM模型描述宇宙的整体演化。其中，Λ代表宇宙学常数，CDM指冷暗物质（Cold Dark Matter）。在这一模型中，推动宇宙加速膨胀的暗能量密度不会随时间变化。虽然ΛCDM能够很好地解释宇宙微波背景、大尺度结构和宇宙膨胀等大量观测结果，但暗能量是否真的恒定不变，仍是一个有待检验的问题。

罗曼正是为这种检验而设计的，它将通过几种彼此独立但可以相互验证的方法，同时测量宇宙的膨胀历史和大尺度结构生长。

其中一个重要项目是高银河纬度时域巡天。

“高银河纬度”意味着观测方向远离银河系盘面，从而减少银河系恒星和尘埃的干扰，更清楚地看到遥远宇宙。其目标之一就是寻找大量Ia型超新星。Ia型超新星可以作为测量宇宙距离的“标准烛光”。天文学家通过比较其距离与宿主星系的红移，可以研究宇宙在不同历史时期的膨胀状态。

罗曼的高纬时域巡天预计可能发现约2.7万颗Ia型超新星，大约相当于以往大量巡天累计样本的一个数量级提升。更重要的是，大量超新星会由同一台望远镜、同一套仪器系统观测。这有利于降低不同仪器、不同滤镜和不同标定体系之间的系统误差，使处于不同宇宙时代的超新星样本具有更高的一致性。

通过比较不同距离超新星的距离和红移，天文学家可以更精确地重建宇宙从减速膨胀转向加速膨胀的过程，并检验宇宙不同时期暗能量是否变化。

这六个立方体展示了红移分别为9、7、5、3、2和1的星系的模拟分布情况，并标出了相应的宇宙年龄。图源：NASA

罗曼还将开展高银河纬度广域巡天。

按照当前规划，这项巡天将覆盖整个天球面积的12%，并对数亿个遥远星系进行成像，精确测量它们的位置、形状和大小。

这些观测不仅可以建立不同宇宙年代的三维星系地图，还可以利用弱引力透镜研究包括暗物质在内的物质分布。前景物质的引力会使遥远背景星系的图像产生细微形变；通过统计大量星系，天文学家可以提取这种微弱信号，进而描绘宇宙中的物质分布，并研究大尺度结构如何随时间生长。

模拟宇宙中不同历史时期的大尺度结构。每个点代表星系，随着宇宙演化，最初较为均匀的物质逐渐形成今天所见的丝状“宇宙网”。图源：NASA

暗能量不仅影响宇宙膨胀，也会影响这些结构生长的速度。

如果暗能量真的是一个不变的宇宙学常数，那么宇宙在不同年代的膨胀率和结构生长速度应该遵循ΛCDM给出的特定关系。如果罗曼的观测持续偏离这些预测，则可能意味着暗能量并非简单的宇宙学常数，或者引力理论在宇宙尺度上还存在我们尚未理解的部分。

因此，更准确地说，罗曼不会通过一次观测就决定ΛCDM的命运，但它有望对标准宇宙模型进行迄今最严格的一批独立检验。

大型空间望远镜的观测时间极为宝贵。传统做法通常是，由全球天文学家提交观测申请，经过同行评议后，少数项目获得望远镜观测时间。

对于哈勃和詹姆斯·韦布空间望远镜，不少竞争性观测项目在数据获得后会给予获批团队数月至一年的专有使用期。

罗曼采用了更加开放的模式：原则上不设置传统的研究团队独占期。无论数据来自核心巡天还是经竞争获得的观测项目，相应数据经过标准流程处理后，都将向整个科研社区开放。

不过，罗曼也面临一个传统天文学越来越突出的问题：数据太多了。过去，研究者通常把哈勃、韦布等望远镜的数据下载到自己的计算机或者本地服务器上分析。但当数据规模上升到PB级时，将海量数据下载到本地分析变得越来越困难。

因此，罗曼将提供云端计算和分析环境，使科研人员可以直接在数据所在的云端环境中编写程序、筛选目标和运行大规模分析，而不必先把所有原始数据下载到本地。

在罗曼正式开展科学观测之前，全球天文学界已经开始申请它的观测资源。首轮征集共收到374份申请，涉及15个国家的2277名研究人员，最终有118个项目获批。

对于中国科研人员而言，申请罗曼的观测资源会受到美国现行法律中有关NASA与中国机构开展双边合作的限制，但并非完全无法参与，符合规定的多边国际合作仍有参与空间。纯中国大陆机构的团队或中、美机构的双边联合团队不可以申请罗曼的项目，但是，中、美再加上其他国家的多边联合团队可以申请，也确实有清华大学、中科院国家天文台的科学家以这种形式参与罗曼的项目。

另一方面，罗曼公开发布的科学数据原则上面向全球科研社区，中国科研人员也可以不受限制地获取和使用这些公开数据。

蔡峥，清华大学天文系副教授，天文系副主任，是参与罗曼项目的几位中国科学家之一。图源：清华官网

罗曼或许无法直接揭示暗物质和暗能量的本质，却有望以前所未有的精度检验它们如何影响宇宙演化。无论观测结果继续支持ΛCDM模型，还是显现出难以用现有理论解释的偏差，都将深化我们对宇宙演化规律的认识。

我们看不见暗物质，也看不见暗能量，但从伽利略的望远镜到罗曼空间望远镜，人类不断延伸的目光与智慧，终将让这些隐藏在宇宙深处的力量显露轮廓。

本文根据罗曼空间望远镜官网资料综合整理而成。

罗曼空间望远镜官网：https://science.nasa.gov/mission/roman-space-telescope/