美国国家航空航天局罗曼太空望远镜利用罕见事件来计算宇宙的膨胀率

这张哈勃太空望远镜的图像显示了一个嵌入在巨大星系团中的星系的强大引力，产生了一颗遥远超新星的多张图像。该图像显示了该星系在一个名为MACS J1149.6+2223的大型星系团中的位置，该星系团位于50多亿光年之外。在放大的银河系插图中，箭头指向一颗爆炸恒星的多个副本，这颗恒星被命名为超新星Refsdal，距离地球93亿光年。图像:uux.cn/美国国家航空航天局、欧空局和s . Rodney（JHU）和FrontierSN小组；T. Treu（加州大学洛杉矶分校）、P. Kelly（加州大学伯克利分校）和格拉斯团队；j . Lotz（STScI）和Frontier Fields团队；m . Postman（STScI）和冲突小组；和z .莱维（STScI）

（神秘的地球uux.cn）据美国宇航局（汉娜·布劳恩）：天文学家正在调查宇宙最紧迫的谜团之一——宇宙膨胀的速度——准备用美国国家航空航天局的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜以新的方式研究这个难题。一旦它在2027年5月发射升空，天文学家将从罗曼的大量图像中挖掘引力透镜超新星，这可以用来测量宇宙的膨胀率。

天文学家有多种独立的方法可以测量宇宙目前的膨胀率，即哈勃常数。不同的技术产生了不同的值，称为哈勃张力。罗曼的大部分宇宙学研究将针对难以捉摸的暗能量，它影响着宇宙如何随着时间的推移而膨胀。这些研究的一个主要工具是一种相当传统的方法，该方法将Ia型超新星等物体的内在亮度与其感知亮度进行比较，以确定距离。或者，天文学家可以使用Roman来检查引力透镜超新星。这种探索哈勃常数的方法与传统方法不同，因为它基于几何方法，而不是亮度。

“Roman是让引力透镜超新星研究起飞的理想工具，”巴尔的摩太空望远镜科学研究所（STScI）的Lou Strolger说，他是准备Roman研究这些物体的团队的联合领导者。“它们很稀有，很难找到。我们不得不幸运地尽早发现其中一些。罗曼的广阔视野和高分辨率的重复成像将有助于这些机会。”

使用各种天文台，如美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜，天文学家在宇宙中仅发现了八颗引力透镜超新星。然而，由于超新星的类型及其延时成像的持续时间，这八颗超新星中只有两颗成为测量哈勃常数的可行候选者。

当来自恒星爆炸等物体的光在到达地球的途中穿过星系或星系团并被巨大的引力场偏转时，就会发生引力透镜效应。光线沿着不同的路径分裂，在我们看到的天空中形成了超新星的多个图像。根据路径之间的差异，超新星图像会延迟几个小时到几个月甚至几年。精确测量多幅图像之间到达时间的差异可以得出限制哈勃常数的距离组合。

“在这种情况下，用与更常见的方法完全不同的方法探测这些距离，可以帮助解释为什么各种测量技术产生了不同的结果，”Strolger项目的联合负责人、STScI的贾斯汀·皮雷尔补充说。

这幅插图使用了哈勃太空望远镜拍摄的超新星Refsdal的图像，展示了大质量星系团MACS J1149.6+2223的引力如何弯曲和聚焦其背后超新星发出的光，从而产生了爆炸恒星的多幅图像。上图显示，当恒星爆炸时，其光穿过空间并遇到前景星系团。光路被星系团的引力弯曲，并转向新的路径，其中几条指向地球。因此，天文学家看到了这颗正在爆炸的恒星的多幅图像，每一幅图像都对应于其中一条被改变的光路。每个图像通过星团的路径不同，到达的时间也不同。在下图中，重定向的光穿过星团内的一个巨大椭圆星系。这个星系增加了另一层透镜。图像:uux.cn/美国国家航空航天局、欧空局、a . Fields（STScI）和j . depas quale（STScI）。科学:美国国家航空航天局、欧空局和s . Rodney（JHU）和FrontierSN小组；T. Treu（加州大学洛杉矶分校）、P. Kelly（加州大学伯克利分校）和格拉斯团队；j . Lotz（STScI）和Frontier Fields团队；m . Postman（STScI）和冲突小组；和z .莱维（STScI）

罗曼的广泛调查将能够比哈勃更快地绘制宇宙地图，望远镜在一张图像中“看到”的面积是哈勃的100多倍。

皮雷尔解释说:“这台新望远镜将允许我们在一张快照中看到整个森林，而不是收集几张树木的照片。”

特别是，高纬度时域调查将重复观察同一地区的天空，这将使天文学家能够研究随时间变化的目标。这意味着为了找到这些非常罕见的事件，将有大量的数据——每次超过50亿像素——需要筛选。

由Strolger和Pierel领导的STScI团队正在通过一个由美国国家航空航天局空间和地球科学研究机会（ROSES）资助的项目为在Roman数据中发现引力透镜超新星奠定基础。该项目由Nancy Grace Roman太空望远镜研究和支持参与机会计划资助。

“因为这种情况很少见，充分利用引力透镜超新星的潜力取决于高水平的准备工作，”皮雷尔说。“我们希望提前准备好寻找这些超新星的所有工具，这样当数据到达时，我们就不会浪费任何时间筛选万亿字节的数据。”

该项目将由来自全国各美国国家航空航天局中心和大学的研究人员团队实施。

准备工作将分几个阶段进行。该团队将创建数据简化管道，旨在自动检测罗曼成像中的引力透镜超新星。为了训练这些管道，研究人员还将创建模拟成像:需要5万个模拟镜头，而目前已知的实际镜头只有1万个。

Strolger和Pierel团队创建的数据简化管道将补充为研究Ia型超新星暗能量而创建的管道。

“罗曼确实是第一次有机会创造引力透镜超新星的黄金标准样本，”Strolger总结道。“我们现在的所有准备工作将生产所需的所有组件，以确保我们能够有效地利用宇宙学的巨大潜力。”

南希·格雷斯·罗曼太空望远镜由位于马里兰州格林贝尔特的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心管理，参与单位包括美国国家航空航天局喷气推进实验室和南加州的加州理工学院/IPAC分校、位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所，以及一个由来自不同研究机构的科学家组成的科学团队。主要的工业合作伙伴是科罗拉多州博尔德的鲍尔航空航天技术公司；佛罗里达州墨尔本的L3Harris技术公司；和加州千橡市的Teledyne科学成像公司。