100个哈勃：罗曼空间望远镜有多强？

来源：互联网 2024-11-12 23:29:59 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们

在哈勃空间望远镜的继任者中，以被誉为“哈勃之母”的天文学家南希·罗曼命名的望远镜——罗曼望远镜——是最重要两个之一。它的主镜面的直径与哈勃相同，但它的视野是哈勃的第三代宽场照相机（WFC3）的红外拍摄模式的视野的大约200倍，是哈勃的高级巡天照相机（ACS）视野的大约100倍，并且成像质量不逊色于哈勃，因此被称为“100个哈勃”。它有什么“黑科技”，又有什么样的科学目标？本文带你走进罗曼空间望远镜的前世今生，领略它的强大。

撰文 | 王善钦

如果要评出当今世界上最著名、最有影响力的天文望远镜，那一定是美国国家航空航天局（NASA）与欧洲航天局（ESA）拥有的哈勃空间望远镜（简称“哈勃”）。在过去30年的时间里，哈勃获得了海量的珍贵数据与美图，重塑了过去30年人类对宇宙万物与宇宙自身的认知。

但NASA并不满足于哈勃获得的成就。为了进一步破解宇宙万物的奥秘，NASA规划了多个未来的空间望远镜，其中与哈勃同类的主要有詹姆斯·韦伯（James Webb）空间望远镜（简称“韦伯”）与南希·格蕾斯·罗曼（Nancy Grace Roman）空间望远镜（简称“罗曼”）。

罗曼的艺术想象图 | 来源：Neil Gehrels, Kevin Grady

在之前的文章（参见《哈勃望远镜之母：空间天文学领域的“灭绝师太”》）中，我们介绍了“哈勃之母”南希·格蕾斯·罗曼（Nancy Grace Roman，1925-2018）的生平与成就。在这篇文章中，我们将介绍以她来命名的空间望远镜的前世今生，它上面的仪器、它的科学目标与其他一些重要信息。

罗曼的前世：锁眼-11号卫星的黑科技罗曼的故事要从锁眼-11号（KH-11）卫星说起。

锁眼系列卫星是美国侦察局（NRO）研制的侦查卫星，其功能就是拍摄地面上的军事目标，因此它们本质上是空间望远镜，只是它们是在太空中对着地面拍照，而不是对着星空拍照。

锁眼系列卫星的每一代都有多个同款卫星。在这个系列中，1976年12月19日由大力神III-D（Titan III-D）火箭送上太空的第一颗锁眼-11号卫星具有重要的转折意义：它是世界上最早采用电荷耦合器件（CCD）替代传统底片并用无线电信号传输数据到地面的航天器。

锁眼-11号结构的艺术想象图，图中分别标出了推进器（Thruster）、航天电子设备（Avionics）、高分辨率相机（High-Resolution Camera）、中继天线（Relay Antenna）、燃料箱（Fuel Tank）、主镜面（Primary Mirror）与副镜（Secondary Mirror） | 来源：Trendsbuzz.com

这个模式直接影响了此后哈勃的设计：设计专家们一度想让哈勃带一个底片箱升空，用完底片后让宇航员上去更换——如果是这样，现在哈勃的海量精美照片是别指望了。锁眼-11号改变了这一切。锁眼-11号卫星成功使用CCD拍照与无线电数据传输模式后，加州理工学院的科学家与工程师在设计“宽场与行星照相机（WFPC）”时也采用了CCD成像模式与无线传输模式。

1993年，由航天飞机送上太空的宇航员在太空中取出哈勃上面的WFPC | 来源：NASA

锁眼-11号卫星的主镜面的口径是2.4米，与哈勃主镜面的口径一样。这绝不是巧合。

当年NASA设想的大型空间望远镜（即后来的哈勃）的口径为3米，后来因为预算太高而被卡了。为降低预算，NASA经过评估，最后决定将望远镜的口径减小到2.4米。

为什么要降低到2.4米？因为锁眼-11号的主镜面口径是2.4米，容纳这个主镜面的飞船系统是由洛克希德（Lockheed）公司根据这个尺寸定制。如果哈勃采用2.4米的主镜面，洛克希德公司就可以直接制造容纳这么大的镜面的飞船。如果用其他尺寸，洛克希德就要重新设计不同尺寸的飞船后再制造，而这将推高预算。这使得哈勃的主镜面口径最终被定为2.4米。

此前网上有人说哈勃的主镜面是当年锁眼-11号不用的主镜面，这是错误的说法。哈勃的主镜面是由柏尔金-埃尔默（Perkin-Elmer）公司磨制的，而锁眼-11号的主镜面由埃克斯利斯（Exelis）公司制造。此外，锁眼卫星的镜面磨得深，而哈勃的镜面磨得浅得多。

尽管主镜面来源不同，但哈勃太空船系统、CCD拍照、无线电数据传输模式（包括数据中继卫星的使用）甚至总重量都与锁眼-11号高度相似。

2009年，维修之后被重新放回太空的哈勃 | 来源：NASA

随着技术的发展，NRO发展出更强更大的主镜面，有两个2.4米的主镜面还没被使用就被判定为“落伍”，然后就被搁在无尘室内，每个月消耗10万美元的保管费。作为对比，当年哈勃放在无尘室时每月消耗600万美元的保管费。

罗曼的今生：从1.3米到2.4米的跃变两块“落伍”的镜面静静躺在无尘室时，一个会在将来与它们中的一块发生密切关联的空间望远镜项目启动了——联合暗能量任务（Joint Dark Energy Mission），缩写为JDEM。

这个项目由NASA与美国能源部（DOE）联合出资开发，用以探测神秘的“暗能量”——1998年，两个互相竞争的小组发现宇宙在几十亿年前开始加速膨胀，后来科学家将推动宇宙加速膨胀的神秘力量称为暗能量。

根据规划，用以研究暗能量的JDEM的主镜面的口径是1.3米，里面只有一个仪器，由成像器与光谱仪构成。2010年，美国研究委员会10年巡天委员会将这个项目定为未来10年天文学的最高优先级项目。

2012年，NRO的工作人员突然打电话给NASA的一个负责人，说要赠送2块2.4米的主镜给NASA。前提是只能用于空间项目之上。NRO如此慷慨的原因似乎是不想继续为这两块镜面付保管费，但实际上如果将这两块镜面拿去卖，不仅照样不用支付保管费，还可以卖个相当好的价钱。所以NRO送镜面给NASA，颇有“宝剑赠英雄”的意味。

对于这个送上门的两块镜面，NASA自然异常惊喜。经过研究讨论，NASA决定将其中一块镜面安装到JDEM 之上，替代原来计划安装的1.3米口径的主镜面。这个变更，使JDEM的采光能力变为此前预期的3.4倍，而且其成像品质可以与哈勃持平。

差不多同时期，JDEM项目的名称被改为“宽场红外巡天望远镜-天体物理导向望远镜资产”，英文缩写为WFIRST-AFTA。2016年，WFIRST-AFTA被NASA正式立项。同年，项目名称中的AFTA被省略，简称为WFIRST。

这一时期，WFIRST的项目负责人是著名的高能天体物理学家尼尔·格勒斯（Neil Gehrels，1952-2017），他曾经主持NASA的多个非常重要的空间望远镜项目——康普顿伽玛射线天文台（CGRO）、雨燕（Swift）卫星等，具有非常丰富的空间望远镜项目管理的经验。2017年，格勒斯因胰腺癌病逝，杰弗雷·克鲁克（Jeffrey Kruk）成为WFIRST项目负责人。

2020年5月20日，NASA宣布将WFIRST改名为“罗曼空间望远镜”（“罗曼”）。

罗曼的主镜面是当年为锁眼-11号卫星定制的。它本来被预期用于观测地面目标，因此焦距比哈勃主镜的焦距短得多。因此，它也比哈勃的主镜面磨得深得多。我们可以这么直观理解：罗曼的主镜面磨得像碗那么深，而哈勃的主镜面磨得比碟子还要浅。与之相应的，罗曼的视野比哈勃的视野大得多：哈勃上的相机要拍摄一两百次才可以拍完的天区，罗曼上的相机一次就可以拍完。

因为焦距短，装载罗曼的飞船也比装载哈勃的飞船短得多，因此罗曼被人们戏称为“矮壮版哈勃”。在横截面几乎一样时，飞船短得多也就意味着轻得多：罗曼在升空时的质量是4.166吨，而哈勃升空时的质量是11.11吨，接近罗曼望远镜质量的3倍。罗曼的飞船由哈里斯（Harris）公司制造，这个公司在2015年与制造出罗曼主镜面的埃克斯利斯公司合并。

罗曼的两大设备：宽场设备与星冕仪望远镜的主镜面只负责采集光线，要进行科学研究，还需要使用各种仪器来接收主镜面搜集到的光，比如各种滤光片与光谱仪。与罗曼望远镜的主镜面配合的仪器有两个。第一个仪器是宽场设备，第二个仪器是星冕仪。

罗曼的结构图，其中右侧淡黄色箭头所指为宽场设备的结构图，左侧白色箭头所指为星冕仪 | 来源：Neil Gehrels, Kevin Grady

宽场设备是罗曼上面用来进行大范围（“宽场”）观测的设备。它由两套部件构成。其中，第一套部件是一个照相机与配套的7个滤光片。其中，照相机由18个CCD探测器拼接而成，总像素达到2.88亿。7种滤光片的观测波长的范围从480纳米到2000纳米，可以观测绿、黄、红光与红外线。

宽场设备的第二套部件是两个光谱仪，用来观测天体的光谱。光谱仪将天体发出的光分解为多种颜色，仿佛彩虹——这就是光谱，用来分解光、得到光谱的仪器就是光谱仪。这两个光谱仪分别是棱镜光谱仪与棱栅光谱仪。棱镜光谱仪的分光工具是一个棱镜，棱栅光谱仪的分光部件是一个棱栅——将棱镜的一侧刻出大量条纹、使其成为“光栅”，即为棱栅。罗曼上面的棱镜光谱仪观测的波长范围从600到1800纳米，对应红色到近红外线范围；棱栅光谱仪观测的波长范围从1000到1930纳米，在近红外线范围。

罗曼上面的宽场设备的结构图，其长、宽、高分别是2.75米、1.85米与1.29米 | 来源：Neil Gehrels, Kevin Grady

宽场设备的照相机单次观测范围是0.281平方度，相当于满月在天空中占据的大小，是哈勃的第三代宽场照相机（WFC3）的红外通道单次观测范围的约200倍，是哈勃的高级巡天照相机（ACS）单次观测范围的约100倍。

罗曼的视场与哈勃以及韦伯上面的相机的视场的对比。图中共有18个白色边框区域，对应罗曼的18个CCD探测器的视场，图下方从左到右分别是哈勃的ACS、哈勃的WFC3与韦伯的NIRCAM的视场大小。 | 来源：Wide-Field InfraRed Survey Telescope- Astrophysics Focused Telescope Assets WFIRST-AFTA 2015 Report by the Science Definition Team (SDT) and WFIRST Study Office

因此，罗曼非常适合用来对宇宙进行扫描式观测。根据设计，它每5天就可以重新扫描到天空中几十平方度内的任意目标。几十平方度是满月区域的上百倍，是哈勃单次拍摄区域的上万倍。

罗曼的单次拍摄范围是哈勃上面的照相机的100-200倍，但拍出照片的品质却与哈勃不相上下，因此有人直接称呼罗曼为“100个哈勃”。它进行2200平方度的大范围巡天时，极限星等可以达到27等；进行3平方度的小范围深场巡天的极限星等为29等。在曝光1小时的情况下，7个滤光片的观测极限星等都可以达到28等左右。

为便于直观体会这些数字，我们以人的肉眼可以观测到的最暗的星（6.5等）来对比。28等的亮度是6.5等星亮度的4亿分之1，29等的亮度是6.5等星亮度的10亿分之1。

哈勃观测的极限星等是30等，是6.5等星亮度的25亿之1。如果增加相机曝光时间，罗曼望远镜也可以观测30等的光源。比如，宽场设备对超新星进行深度成像时，Z、Y、J、H、F滤光片可以分别观测到28.7、29.5、29.4、29.6与29.7等，都接近或约等于30等。

罗曼的第二个设备是星冕仪。我们知道，太阳的外围有一层帽子状的高温气体，它像帽子一样，因此被称为“日冕”。如果不借助仪器，天文学家只能在日全食时才可以看到日冕。为了可以在平时可以观测到日冕，天文学家发明了一种仪器，它可以遮住太阳发出的光，但不遮住日冕发出的光，从而造成日全食一样的效果。这就是日冕仪。为了观测一些明亮的恒星附近的行星与其他暗淡天体，天文学家发明了类似仪器，用以遮挡恒星发出的光，这就是星冕仪。

罗曼上面的星冕仪也由照相机与光谱仪构成。星冕仪挡住恒星发出的光之后，照相机用来直接拍摄恒星附近的行星与物质盘的图像，光谱仪用来获取这些目标的光谱。

星冕仪上面的照相机视野的边长只有9角秒，光谱仪的视野的边长只有2.2角秒。对应的天区的面积分别只有宽场设备观测面积的1/4500与1/750000，都比宽场设备的视场小得多，适合用来进行固定目标的后续观测，而不能用以巡天。

罗曼上面的星冕仪的结构图 | 来源：Neil Gehrels, Kevin Grady

如果用星冕仪遮挡住恒星发出的强光，只捕获恒星周围的行星反射出的微弱光芒，就是“直接成像法”，它是探测除了太阳之外的恒星周围的行星——系外行星——的重要方法之一。

罗曼的星冕仪具有高对比度的优势。虽然它的主镜面只有2.4米，但它的对比度却是未来建成使用的30米与40米口径的地面超大型光学望远镜的10倍左右。因此，罗曼可研究的最暗的行星比后者的探测极限暗20到100倍。而且，它的视场虽然比罗曼上面的宽场设备的视场小得多，但还是比30-40米级地面望远镜的视场大得多。

罗曼探测系外行星的渊源恰好可以追溯到南希·罗曼本人。1959年，南希·罗曼就在论文中建议用望远镜上的配备的星冕仪来遮挡恒星光芒，直接拍摄系外行星。她还于上世纪80年代早期提出：空间望远镜可以用天体测量学的方法探测到木星大小的系外行星。这两个构想后来都被哈勃实现了。南希·罗曼很可能是第一个提出用空间望远镜观测系外行星的人。

罗曼的科学目标罗曼上面的宽场设备与星冕仪的科学目标几乎完全不同，只有极少一部分的交叉。

宽场设备的科学目标主要有：

○ 探测宇宙中各种距离上爆发的Ia型超新星，在其任务周期内，罗曼可以探测到约2700颗各种距离上的Ia型超新星，最远达到156亿光年，它们发出的光穿行98亿年才到达地球。

根据这些不同距离处Ia型超新星的距离，天文学家可以计算出宇宙的膨胀速度，得到宇宙的膨胀历史。

结合罗曼发现的Ia型超新星得到的结果与重子声波振荡等方法得到的结果，天文学家还可以确定出几个重要的宇宙学参数，更好地限制暗能量的性质，确定宇宙的弯曲程度。

○ 观测大量星系与类星体。由于其极高扫描效率与极强的采光能力，罗曼在其任务期间将拍摄到几十亿个星系，其中有4亿个星系会被确定形状，2千万个星系会被采集到光谱。

特别是，罗曼将大批量发现宇宙年龄小于8亿年甚至小于5亿年时的星系。此前哈勃的多个“深场”项目已经发现一些年轻宇宙中的星系。罗曼的视野比哈勃上的相机至少大100倍左右，因此可以发现的年轻宇宙中的星系的数目是当前已知的上百倍。

对不同时期的星系的研究，将帮助人们进一步理解星系的演化规律。

○ 观测大量星系团。星系团由大量星系聚集而成。罗曼可以探测到大约4万个大质量的星系团，得到这些星系团的大尺度分布特征。

天文学家根据罗曼获得的星系团与星系的数据，研究弥漫在星系与星系团内部的暗物质的分布特征以及相关的“引力透镜”现象，进而确定出宇宙的大范围结构及其演化规律。

○ 观测各类“暂现源”。所谓的暂现源，就是亮度快速变化的源，如恒星或白矮星爆炸导致的超新星、中子星与中子星/黑洞并合后产生的千新星，等等。通过研究这些重要的暂现源，人们可以深入了解恒星的演化规律。

○ 观测银河系与近距离星系内的恒星、恒星遗迹与褐矮星。

哈勃 CANDELS 项目观测到的超新星之一，将来罗曼也将发现更多各种类型超新星 | 来源：NASA/ESA, HST

○ 利用“微引力透镜”现象探测2平方度天区内的系外行星。这个区域的大小大约是满月的7倍。

微引力透镜发现系外行星的原理是：恒星的引力会放大更远处恒星的亮度，而伴随恒星的行星对星光的亮度的放大作用会进一步放大星光亮度。

当充当“透镜”的恒星经过望远镜与远处恒星的连线时，透镜恒星使远处星光的亮度持续变化，形成一条宽的亮度演化曲线，紧接着经过连线的行星会在远处星光的曲线上叠加一个尖峰。根据尖峰的亮度，可计算出行星的质量。

利用微引力透镜探测系外行星的原理，图中黄色代表远处恒星，中间白色圆为“透镜恒星”，灰色圆为跟随者透镜恒星的行星。透镜恒星经过远处恒星与望远镜之间的连线的前后，远处星光的亮度变化形成一个宽峰；恒星带着的行星经过连线前后，使远处星光的亮度变化多出一个尖峰，这个尖峰可以用来判断系外行星的存在并计算出它的质量| 来源：Paul Hertz, WFIRST-AFTA Science Definition Team Final Report

○ 观测太阳系内天体，如矮行星、彗星、小行星。

星冕仪的科学目标有：

○ 用直接成像法观测至少几十颗系外行星。使用星冕仪观测到的数据，天文学家可以研究这几十颗行星的大气的温度、云层中的钠与钾的谱线特征，确定出这些元素的含量、行星的重力与质量。

帕洛玛（Palomar）天文台的508厘米口径的海尔（Hale）望远镜用直接成像法拍出的围绕恒星HR 8799运转的3个系外行星的像。恒星发出的光已经被星冕仪遮挡，用绿色叉表示 | 来源：NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory

在观测系外行星方面，罗曼的能力比哈勃强大得多，并可以与已经退役的系外行星猎手开普勒（Kepler）望远镜与正在服役的凌星系外行星巡天卫星（TESS）获得的系外行星的数据互补。

我们可以发现，宽场设备与星冕仪在系外行星领域产生了交叉。据估计，在罗曼执行任务期间，它可以发现大约2600颗系外行星，其中有370个系外行星的质量约等于或小于地球的质量。

在上面的基础上，天文学家可以筛选出那些位于允许液态水存在并可能发展出生命的区域（“宜居带”）的系外行星。这对于搜寻外星生命具有重要意义。

与哈勃、韦伯相比，罗曼优势何在？哈勃在过去30年拍下了大量震撼人心的美图，但却很少拍摄近距离的星系的全景，这是因为近距离星系在天空中的视角远大于哈勃上的仪器的视角，需要多次逐块拍摄才可以拼接出全景图。

我们在上面已经简单对比了罗曼与哈勃的视场大小。这里不妨用几个非常重要的项目来进一步比较它们在扫描宇宙时的效率。

我们先看看它们在拍摄仙女座星系（M31）时的效率。“全色哈勃仙女座星系珍宝”（PHAT）项目组曾用哈勃拍摄仙女座星系的星系盘区域的三分之一。为完成这个目标，项目组用哈勃逐块拍摄了大量照片，最后拼接了432个采集区域，得到一个大范围的照片。

图中锯齿状边缘围住的区域由哈勃望远镜拍摄的432的采集区域拼接得到，整个M31的照片为R. Gendler用地面望远镜所拍摄 | 来源：Credit: NASA, ESA, J. Dalcanton, B. F. Williams, L. C. Johnson, the PHAT team, and R. Gendler

如果使用罗曼的宽场相机拍摄仙女座星系，只需要2个采集区域就可以覆盖哈勃望远镜PHAT项目432个采集区拼接后覆盖的区域，其观测效率更是达到哈勃的1475倍。

哈勃PHAT项目拍摄的区域需要拼接哈勃WFC3红外通道拍摄的432片区域，但罗曼望远镜只需要拼接其拍摄到的2块区域就可以覆盖 | 来源：https://roman.gsfc.nasa.gov/about.html

与哈勃执行的其他著名的珍宝级别（Treasury-scale）项目相比，在保证一样观测品质的前提下，罗曼的效率也非常惊人。比如，它比COSMOS 项目快125倍，比CANDELS-Wide项目快1050倍，比3D哈勃项目快730倍，比FIGS项目快750倍。

比起哈勃，罗曼望远镜也有一块短板：它的宽场照相机只拍摄部分可见光与红外光，而不能拍摄紫外线与蓝紫光。不过，一定距离之外的天体发出的紫外线与蓝紫光在向地球传播的过程中会被拉长为绿、黄、红与红外线。因此，罗曼可以观测远处的天体发出的部分紫外线与蓝紫光，以及所有距离的天体发出的绿、黄、红光与红外线，但无法观测近距离天体发出的蓝紫光与紫外线。

作为对比，哈勃从一开始就可以观测任何近距离的天体发出的紫外线、可见光与直到850纳米的近红外线；经过几次升级后的，过去十几年来哈勃可以观测的光的波长延展到2000多纳米。

罗曼与哈勃、韦伯相比，各有优势。

韦伯的主镜是口径为6.5米的拼接式镜面，比口径为2.4米的哈勃的主镜大得多，目的是看得比哈勃更远。更远的物体发出的光被拉得更长，为了观测到它们发出的可见光——它们在到达地球上时已经被拉到中红外，韦伯的观测波长范围延展到28300纳米，比只能观测到近红外的哈勃和罗曼的波长范围大得多。

在NASA的戈达德飞行中心装配的韦伯的主镜面，注意地面上的工作人员，他们可以反衬出韦伯的巨大尺寸 | 来源：NASA Goddard Space Flight Center

罗曼的主镜是口径为2.4米的单块镜面，与哈勃主镜一样大，但其“视野”却分别大约是哈勃上的两个照相机的200倍或100倍，它的目的是比哈勃看得更广。

韦伯望远镜上的近红外照相机（NIRCAM）的视场与哈勃差不多，因此也远小于罗曼的宽场设备的视场。因为这个原因，罗曼的红外巡天观测能力是无可替代的，它可以为韦伯寻找出非常有价值的目标，让韦伯进行后续观测，因此是韦伯的重要合作伙伴。

南希·罗曼诞辰百年时，望远镜可以顺利升空吗？罗曼望远镜当前的预算是39亿美元，虽然小于韦伯的100亿美元预算，但依然是一个天文数字。考虑到此后各种原因导致的预算增加，即使罗曼可以工作10年，它每年也要消耗至少3.9亿美元，相当于每天至少107万美元，每小时至少4.5万美元。也因为费用高昂，当时还是被叫做WFIRST的罗曼差点于2018年被取消，最后有惊无险地躲过一劫。

如果没有意外，罗曼将在2025年被发射升空，那一年恰好是南希·罗曼诞辰100周年。

被选来发射罗曼的火箭是德尔塔-4重型（Delta IV Heavy，“三角洲”-4重型）火箭，这是当今世界上推力第二大的火箭，仅次于猎鹰9号重型火箭。这款火箭耗资巨大，每发射一次的费用超过4亿美元。它从2004年开始执行发射任务，从2011年开始发射NRO的锁眼-11号卫星。NASA的猎户座飞船（无人模式）与帕克太阳探测器也由这款火箭发射升空。至今为止，这款火箭共发射过11次，除首次发射“部分失败”——未将卫星送入足够高的轨道——之外，后面10次发射都获得成功。