美国宇航局的罗马太空望远镜将如何逆转宇宙

在这张宇宙深处的模拟图中，每个点代表一个星系。三个小方块显示了哈勃的视野，每个方块揭示了合成宇宙的不同区域。Roman将能够快速勘测整个缩小图像那么大的区域，这将让我们一瞥宇宙最大的结构。Credits: NASA's Goddard Space Flight Center and A. Yung

（神秘的地球uux.cn）据美国宇航局：一项新的模拟显示，美国宇航局的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜将如何逆转宇宙时钟，以前所未有的方式揭示进化中的宇宙，当它在2027年5月发射时。凭借其快速成像巨大空间的能力，Roman将帮助我们理解宇宙如何从原始的带电粒子海洋转变为我们今天看到的庞大宇宙结构的复杂网络。

“哈勃和詹姆斯·韦伯太空望远镜是为深入和近距离研究天文物体而优化的，所以他们就像通过针孔观察宇宙一样，”美国宇航局戈达德太空飞行中心博士后亚伦·容说，他在马里兰州格林贝尔特领导了这项研究。“为了在最大尺度上解开宇宙之谜，我们需要一架能够提供更大视野的太空望远镜。这正是Roman的设计目的。”

将罗曼的大视野与哈勃更宽的波长覆盖范围和韦伯更详细的观察结合起来，将提供一个更全面的宇宙视野。

该模拟覆盖了一片两平方度的天空，相当于一轮满月的10倍，包含超过500万个星系。它基于一个久经考验的星系形成模型，代表了我们当前对宇宙如何运作的理解。使用一种极其高效的技术，该团队可以在不到一天的时间内模拟数千万个星系——使用传统方法可能需要数年时间。当Roman发布并开始提供真实数据时，科学家可以将其与一系列此类模拟进行比较，对他们的模型进行最终测试。这将有助于解开星系形成物理学、暗物质——一种只能通过引力效应观察到的神秘物质——以及更多问题。

描述这些结果的论文发表在2022年12月的《皇家天文学会月报》上。

这幅图像包含了数百万散布在时空中的模拟星系，展示了哈勃(白色)和罗曼(黄色)在一张快照中可以捕捉到的区域。哈勃大约需要85年才能绘制出图像中相同深度的整个区域，但是罗曼只用了63天就完成了。Roman更大的视野和快速的勘测速度将以前所未有的方式揭示进化中的宇宙。Credits: NASA's Goddard Space Flight Center and A. Yung

星系和星系团沿着看不见的暗物质线成团发光，就像一幅可观测宇宙大小的织锦。有了足够广阔的视野，我们可以看到宇宙的大尺度结构是网状的，有着延伸数亿光年的线条。星系主要存在于细丝的交叉处，在所有闪亮的细丝之间有巨大的“宇宙空洞”。

这就是现在宇宙的样子。但是如果我们能倒转宇宙，我们会看到非常不同的东西。

我们会发现自己淹没在等离子体(带电粒子)的海洋中，而不是分散在星系中的巨大、炽热的恒星，每个星系相距更远。这种原始汤几乎完全一致，但对我们来说，谢天谢地，有微小的结。由于这些团块比它们周围的密度稍大，它们的引力也稍大。

几亿年过去了，这些团块吸收了越来越多的物质。它们变得足够大，形成了恒星，恒星被引力吸引向暗物质，形成了看不见的宇宙主干。星系诞生并继续进化，最终像我们这样的行星系统出现了。

罗曼的全景图将帮助我们看到不同阶段的宇宙是什么样的，并填补我们理解中的许多空白。例如，虽然天文学家发现了包裹星系的暗物质“晕”，但他们不确定它们是如何形成的。通过观察由暗物质引起的引力透镜如何扭曲更远物体的外观，Roman将帮助我们了解光环是如何随着宇宙时间的推移而发展的。

在这个模拟宇宙的侧视图中，每个点代表一个星系，其大小和亮度与其质量相对应。不同时代的切片展示了罗曼将如何跨越宇宙历史来观察宇宙。天文学家将利用这样的观察来拼凑宇宙演化如何导致我们今天看到的网状结构。Credits: NASA's Goddard Space Flight Center and A. Yung

戈达德太空中心的天体物理学家、论文的合著者桑吉塔·马尔霍特拉(Sangeeta Malhotra)说:“像这样的模拟对于将前所未有的大型星系调查从罗曼连接到决定这些星系分布的看不见的暗物质支架至关重要。

用其他太空望远镜研究如此巨大的宇宙结构是不切实际的，因为需要数百年的观察才能拼接出足够多的图像来观察它们。

“Roman将拥有独特的能力来匹配哈勃超深空的深度，但覆盖的天空面积比坎德尔斯巡天等广泛的调查多几倍，”容说。“这样一幅早期宇宙的全景图将有助于我们理解哈勃和韦伯的快照在多大程度上代表了当时的宇宙。”

罗曼的广阔视野也将成为哈勃和韦伯放大有趣领域的路线图。

罗曼的全面天体测量将能够比哈勃快一千倍地绘制宇宙地图。这将是可能的，因为天文台的刚性结构，快速回转速度，以及望远镜的大视野。罗曼将迅速从一个宇宙目标转移到下一个。一旦获得一个新的目标，振动将很快稳定下来，因为像太阳能电池阵列这样潜在不稳定的结构被固定在适当的位置。

“罗曼每年将拍摄大约10万张照片，”戈达德太空中心的天体物理学家杰弗里·克鲁克说。“鉴于罗曼的视野更大，即使像哈勃或韦伯这样的强大望远镜覆盖这么多的天空，也需要比我们一生更长的时间。”

通过提供一个巨大、清晰的宇宙生态系统视图，并与哈勃和韦伯等天文台合作，罗曼将帮助我们解决一些天体物理学中最深奥的谜团。

Nancy Grace Roman太空望远镜由美国宇航局戈达德太空飞行中心管理，参与方包括美国宇航局喷气推进实验室和南加州加州理工学院/IPAC分校、巴尔的摩的太空望远镜科学研究所以及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 Scientific & Imaging。

By Ashley Balzer

NASA’s Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.

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Claire Andreoli

NASA’s Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.