美国宇航局未来的红外太空天文台：南茜·格蕾丝·罗曼太空望远镜

南希·格雷斯·罗曼太空望远镜是天文学的下一个重大进展。 (Image credit: GSFC/SVS)

（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（By Robert Lea）：南希·格雷斯·罗曼太空望远镜是美国宇航局未来的红外太空天文台，它将试图通过解决暗能量的奥秘来解决宇宙学中一些最紧迫的问题。

该望远镜也被称为“罗马”或“罗马太空望远镜”，也将搜索太阳系以外的行星——系外行星，并将调查遥远恒星的物理性质。

美国宇航局表示，该太空望远镜将于2026年或2027年左右发射，它拥有广阔的视野，这将使它能够生成前所未有的宇宙大图，这对解决一些最紧迫的宇宙之谜至关重要。这项任务预计将持续五年。

罗马太空望远镜将位于拉格朗日点2，这是地球和太阳之间的一个稳定的引力点，距离我们的星球约100万英里(150万公里)。

南希·格雷斯·罗曼太空望远镜于2010年以宽视场红外巡天望远镜(WFIRST)的名义诞生，十年后才获得现在的名字，当时在2020年5月，它被重新命名，以纪念南希·格雷斯·罗曼，一位先驱科学家，他在1961年至1963年期间担任美国宇航局的第一任首席天文学家。罗曼于2018年12月26日辞世，享年93岁。

在她的一生中，Roman被亲切地称为“哈勃之母”,这个绰号的出现是因为Roman不知疲倦地倡导新的工具，使科学家能够研究更广阔的宇宙，这导致了1990年哈勃太空望远镜的发射。

南希·格蕾丝·罗曼因成为美国国家航空航天局总部空间科学办公室的第一任天文学主任和第一位在航天局担任行政职务的女性而闻名于世。(图片来源:NASA)

在2020年宣布WFIRST的新名字时，美国宇航局局长吉姆·布里登斯汀说:“正是因为南希·格蕾丝·罗曼的领导和远见，美国宇航局成为天体物理学的先驱，并发射了哈勃望远镜，这是世界上最强大和最具生产力的太空望远镜。”

“我想不出比WFIRST更好的名字了，它将接替美国宇航局的哈勃和韦伯望远镜。”布里登斯汀继续说道。

“罗曼计划教给我们很多关于系外行星和宇宙学的知识，但它有能力做得更多，”美国宇航局喷气推进实验室的博士后研究员Samson A. Johnson告诉Space.com。“现在，在它发射之前和之后，天文学家将有很多机会为Roman提出他们自己的想法，并且有许多有趣的前景，如研究恒星质量黑洞，系外行星凌日调查，星地震学调查，等等。”约翰逊继续说道。

Nancy Grace Roman太空望远镜的开发主要由美国宇航局戈达德太空飞行中心负责，参与开发的有喷气推进实验室(JPL)和加利福尼亚州帕萨迪纳的红外处理和分析中心、巴尔的摩的太空望远镜科学研究所，以及一个由美国各机构研究人员组成的科学团队。

2011年罗马太空望远镜的最初设计表明，它将配备一个直径4.3英尺(1.3米)的小镜子和一个单一的仪器。科学定义小组(SDT)和WFIRST研究办公室在2015年的WFIRST-AFTA 2015报告中介绍了望远镜的当前和最终设计。

这篇论文的标题详细描述了将在本十年晚些时候到达太空的更新的罗马望远镜，它于2019年发布，标题是“宽视场红外巡天望远镜:2020年代的100架哈勃望远镜”。"

2022年，美国宇航局估计罗马望远镜的总发射成本为2.55亿美元，其中包括发射服务和其他与任务相关的成本。

根据WFIRST-AFTA科学定义团队的最终报告，罗马太空望远镜在发射时将重达4166公斤(9184磅)，并被设置为携带2191公斤(4830磅)的有效载荷。

罗马太空望远镜的主镜直径为7.9英尺(2.4米)，与哈勃望远镜的镜子大小相同，但重量不到410磅(186公斤)的四分之一。

罗马太空望远镜的主镜直径为7.9英尺(2.4米)。(图片鸣谢:L3Harris科技公司)

该反射镜为望远镜提供了0.281度的方形视场，并将光线发送到罗马太空望远镜携带的两个主要仪器，宽视场仪器和望远镜的日冕仪。航天器本身的桶形形状阻挡了来自太阳的多余光线。

这将允许宽视场仪器在其长达5 5年的运行时间内测量来自10亿个星系的光，从而促进罗马太空望远镜的主要任务——研究暗能量。

正如美国宇航局指出的，物理学家估计暗能量占宇宙总能量/物质含量的68%左右，但对它实际上是什么却知之甚少。解决这个问题的一个方法是观察暗能量的影响是如何随着时间而变化的。

罗马太空望远镜上的宽视场仪器将有助于调查这一问题，方法是绘制整个宇宙的物质分布图，并测量宇宙自大约5亿年前(约为当前年龄的4%)以来是如何膨胀的。通过检查超新星的亮度和距离，即恒星生命结束时发生的爆炸，罗马太空望远镜可能会探测到暗能量的最初痕迹，从而让科学家了解这种神秘力量的影响是如何随着时间的推移而增长的。

Roman的其他目标，如研究遥远的超新星和检查太阳系外围的物体，将是寻找其他恒星周围的行星。

鲁兹·Á·安杰拉·加西亚

博士后研究员

卢兹·Á·安杰拉·加西亚是哥伦比亚波哥大ECCI大学的宇宙学博士后研究员。

我们向哥伦比亚波哥大的宇宙学博士后鲁兹·Á·安杰拉·加西亚询问了几个关于南希·格雷斯·罗曼望远镜和暗能量的问题。

两台望远镜都被优化用于红外线的波长范围。然而，JWST的视野非常狭窄和详细。相反，南希·格雷斯·罗曼将覆盖一片广阔的天空。理解这一点的一种方式是，两台望远镜的科学目标是不同的，因此，它们的覆盖范围必须适应这些观测需求。

JWST旨在恢复天空的深层视线。另一方面，罗马将为我们提供“大图景”。它将补充其他从地面运行的大星系调查，如DESI或即将到来的薇拉·鲁宾天文台。

Nancy Grace Roman的大部分功能将使其成为研究暗能量本质的合适工具。由于其对天空的广泛覆盖，该望远镜将在其视野中捕捉到前所未有数量的星系，以及这些星系在我们宇宙中的分布，这将使我们了解暗能量对大宇宙尺度的影响以及星系的聚集和演化。有了如此广泛的星系图，我们就可以恢复对声波峰值的可靠预测。

另一方面，南希·格雷斯·罗曼号将专注于探测红外信号；因此，它将“看到”目前地面望远镜可能遗漏的星系。此外，望远镜还将观测到大量超新星Ia(最初导致暗能量概念和宇宙加速膨胀的同类型物体)。最重要的是，它关于暗能量和宇宙大尺度结构的发现将补充其他天文台的发现。

每一个新的望远镜都提供了关于暗能量、物质结构和宇宙本身的新信息。这台望远镜将允许我们获得一张非常广阔的红外星系图，因此，它们将不仅仅是附近的星系，而是大多数早期星系，它们的光在到达罗马的镜子之前已经传播了很长时间，因此它们的光将显示出很大的红移。

但是Nancy Grace Roman也将解决该学科中其他有趣的主题，例如系外行星提供了我们银河系中最大的行星系统普查，以及其他红外天文学挑战，HST和JWST都无法解决，因为他们的视野狭窄。

“罗曼将从两个方面向我们介绍系外行星。首先，其核心社区调查之一旨在检测小额贷款事件。这些事件是前景物体和背景恒星极其罕见的近乎完美的对齐，这就是为什么我们需要Roman的大视野来监测这些罕见的事件，”Johnson解释道。“前景物体的质量以这样一种方式弯曲空间，它放大了来自背景恒星的光，暂时增加了它的亮度。如果有任何行星绕着这颗透镜星运行，它们将导致放大倍数的偏差，这将表明它们的存在。”

根据美国国家航空航天局JPL(在新标签中打开)的说法，通过使用由质量的存在引起的光的微小弯曲，宽视场仪器将对银河系进行调查，并寻找大约2600颗新的系外行星。

随着这台仪器搜索新的系外行星，罗马日冕仪将调查几十个已经发现的系外行星，对它们进行成像，并进行光谱(吸收和发射光和其他辐射)观察。

当光线穿过系外行星的大气层时，对其进行检查可以揭示构成所述大气层的元素，并可以帮助科学家检测分子的存在，如水和复杂的有机分子，这些分子可能是生命的副产品。

目前的技术允许天文学家探测比它们的主恒星暗一百万倍左右的明亮年轻系外行星，但许多系外行星比它们的恒星暗一亿倍或更多。对于“成熟的”气态巨行星来说尤其如此，比如太阳系的木星和土星，或者像地球这样的岩石地球。

“Roman研究行星的第二种方法是使用它的冠像仪，这是第一个基于空间的自适应光学的技术演示，”Johnson补充道。“这对未来从太空直接对行星成像至关重要，并为21世纪40年代搜索生物特征的下一代太空望远镜铺平了道路。”

罗马太空望远镜日冕仪将是第一个被送入太空的高性能日冕仪系统，目前的实验室测试表明，该仪器应该能够探测比其主恒星暗十亿倍的系外行星。

这使得Roman成为未来任务的重要垫脚石，这些任务旨在对比其主恒星暗100亿倍的类地行星进行成像和表征。

虽然比较哈勃太空望远镜、詹姆斯·韦伯太空望远镜和即将到来的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜的能力是很自然的，但严格来说，这些仪器都不是其前身的替代品，相反，每个望远镜都是为了补充另一个。虽然这三种仪器都是用红外线观察宇宙，但它们提供了不同的宇宙视角。

Roman的可见光和红外光波长覆盖范围将跨越0.5到2.3微米，这比该任务的原始设计增加了20%。美国宇航局表示这一范围将使望远镜能够更好地与哈勃太空望远镜合作，哈勃太空望远镜在紫外光到近红外光，0.2到1.7微米的范围内观察宇宙，JWST在近红外，中红外和少量可见光，0.6到28微米的范围内观察宇宙。

Roman的镀银镜与哈勃的主镜大小相同，但与JWST的镀金镜(直径21英尺(6.5米))相比就相形见绌了。这个由18个六边形部分组成的巨大镜子使JWST比哈勃强大100倍，可以看到比哈勃暗100倍的物体，从而可以看到宇宙的更深处。因为光的传播速度是有限的，这意味着JWST也能比哈勃看到更久远的过去。

一张对比南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜、哈勃太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜的信息图。每台望远镜都是为了互相补充。(图片来源:NASA)

“比较罗曼和韦伯的最好方法实际上是把他们比作哈勃。“韦伯相对于哈勃的最大优势是它更敏感，可以探测到比哈勃弱100倍的光源，”约翰逊说。“这使得Webb成为一个优秀的‘瑞士军刀’型天文台，非常灵活，可以观测从第一个星系到直接成像系外行星的广泛对象。

“Roman的灵敏度与哈勃相似，但它的视野要宽得多。在一次指向中，罗曼可以观察到比哈勃一次指向大100倍的天空。这使得罗曼能够一次观测数千个星系，或者在一幅图像中观测数千万颗恒星。”

罗曼的宽视野仪器的视野比哈勃的最大曝光范围大100倍。(图片鸣谢:NASA戈达德媒体工作室)

美国国家航空航天局估计，罗曼的红外视觉也应该允许望远镜看到宇宙回到它刚刚超过3亿岁的时候。尽管根据美国国家航空航天局的说法，Roman的主要优势在于其视野的大小。

罗曼的宽视野仪器的视野比哈勃的最大曝光范围大100倍。因此，Roman将生成更大的宇宙图像，同时匹配哈勃清晰的红外分辨率。在运行的头五年里，Roman将拍摄50多倍于哈勃自1990年以来拍摄的夜空。虽然哈勃仍然可以捕捉到罗曼无法提供的东西，高分辨率的紫外线观测，从而证明即使是这三个“巨型望远镜”中最古老的一个也不会因其前辈而过时。

这将允许罗曼在其宽视野中发现目标，以便哈勃用红外线跟踪，并让JWST获得更清晰和更深入的图像。

“将罗马太空望远镜的发现与哈勃和韦伯的发现结合起来，可以彻底改变我们对众多宇宙追求的理解，”美国宇航局说。