[비즈한국] 继哈勃和詹姆斯·韦布之后，又一台空间望远镜飞向了太空。这就是8月30日（当地时间）在美国肯尼迪航天中心39号发射台，由猎鹰重型火箭搭载升空的南希·格雷斯·罗曼空间望远镜。
简单来说，罗曼望远镜拥有一双与哈勃同样大小的眼睛，但观测天空的视野却比哈勃广约100倍。哈勃需要100年才能完成的观测规模，罗曼只需一个月就能完成，它能以前所未有的速度快速扫描广阔的宇宙。这与以往那种专注于深入观察特定天体的空间望远镜性质完全不同。
哈勃之母，南希·格雷斯·罗曼
1959年，当空间望远镜这一概念尚且陌生且备受质疑时，南希·格雷斯·罗曼（Nancy Grace Roman）就在美国国家航空航天局（NASA）领导了空间天文学项目。此后，她通过努力获得国会严苛的批准，为后来促成哈勃空间望远镜这一伟大梦想变为现实发挥了关键作用。因此，她常被称为“哈勃之母”。
目前被称为罗曼空间望远镜的这台设备，最初的名字要平凡得多。由于其宗旨是以广阔的视野对红外宇宙进行观测，因此最初被命名为WFIRST（广域红外巡天望远镜）。然而，在南希·罗曼于2018年去世后，为了纪念她的功绩，人们将该望远镜冠以她的名字。可以说，那位曾为哈勃诞生做出贡献的人物，如今将以另一台空间望远镜的名字继续凝望宇宙。
用与哈勃相同的镜片，观测100倍广阔的天空
罗曼的主镜直径为2.4米，与哈勃完全相同。如果与通过拼接多块镜片而拥有巨大主镜的詹姆斯·韦布相比，它可能会被认为是一台“小”望远镜。然而，罗曼的核心不在于镜片大小，而在于其光学系统和观测方式。
如果说哈勃擅长对狭窄的天空区域进行深度精确的观测，那么罗曼则是被设计用于在保持同等精度的情况下，一次性观测更广阔的领域。
在普通望远镜中，汇聚的光线在视野中心最为清晰。而罗曼为了获得极宽的视场，其光学系统配置在围绕中心的广阔区域内也能保持均匀的画质。探测器也不仅仅集中在望远镜视野的中央，而是呈阵列排布，以高效覆盖宽广的焦平面。
罗曼的广角相机约为3亿像素。单个像素覆盖的天空大小约为0.11角秒，单次拍摄所覆盖的天空面积比满月还要大。与哈勃的视野相比，几乎扩大了100倍。
然而，仅仅扩大视野并不能解决所有问题。视野狭窄时，只需保证屏幕中心的目标天体清晰即可，但随着视野变宽，屏幕内出现的恒星和星系数量会大幅增加。无论天体位于屏幕的哪个位置，都必须保持同等水平的清晰度，且星光必须在整个宽广的焦平面上稳定成像。罗曼集成了实现这一点的精密光学技术。
为什么需要罗曼？
既然已经有了哈勃和詹姆斯·韦布等多台空间望远镜在役，为什么还需要新的罗曼？原因很明确，因为罗曼承担的角色与现有望远镜完全不同。
在特定时刻，罗曼可观测的区域达到全天的约59%。与像哈勃那样长时间、深入观测远处单个天体的望远镜不同，罗曼更接近于一台巡天望远镜，它能快速扫描广阔天空，发现超新星、系外行星、星系等各种天体和现象。
当罗曼在广阔的天空中先发现特殊天体后，哈勃或詹姆斯·韦布可以对该目标进行更深入、更清晰的观测。这样一来，在大范围搜寻目标的罗曼与对特定天体进行精密观察的哈勃、詹姆斯·韦布之间，便能实现高效的分工。
从这一点来看，罗曼的任务反而与先期升空的欧洲航天局（ESA）欧几里得空间望远镜有些相似。欧几里得观测约1.5万平方度的广阔天空。罗曼的巡天区域虽比它小，但以更高的空间分辨率审视宇宙。
最近正式开始观测的智利维拉·C·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）也通过32亿像素的巨大相机快速扫描可见光下的天空。虽然鲁宾天文台的视野比罗曼广得多，但由于是地面望远镜，无法摆脱大气的干扰。相比之下，鲁宾用可见光观测，而罗曼用近红外线观测同一片天空。结合两组数据，可以对比各种天体随波长变化呈现的特性。
罗曼即将绘制的巨型宇宙地图，将在研究潜伏于宇宙各处的暗物质和暗能量方面发挥重要作用。第一种方法是引力透镜。存在于宇宙各处的暗物质会使时空弯曲，从而轻微扭曲和拉伸来自其后方星系的光影。
仅仅通过观测一个星系，无法得知其原始形态，因此很难准确判断观测到的星系扭曲了多少。但如果同时观测并统计对比数亿个星系的形状，情况就会改变。通过分析星系图像平均偏向哪个方向、弯曲和拉伸了多少，可以反向追踪存在于其间的暗物质分布。罗曼的广阔视野在进行这种大规模弱引力透镜效应测量时尤为有利。
通过星系分布解读宇宙膨胀史
第二种方法是绘制宇宙空间中星系的三维分布图。
利用罗曼搭载的光谱仪测量单个星系的光谱并求出红移，即可估算到星系的距离。由此，不仅可以绘制天空中可见的二维位置图，还能制作包含距离深度信息的巨型星系地图。
其中还留下了“重子声学振荡（Baryon Acoustic Oscillation, BAO）”的痕迹，这是在大爆炸后初期宇宙物质和光结合时期形成的印记。测量星系平均分布的间隔，并追踪这一间隔随宇宙历史发生的变化，就能推断出宇宙膨胀的历史。
这最终成为探明宇宙中存在多少暗物质和暗能量，以及暗能量如何影响宇宙膨胀的重要线索。
第三种方法是反复观测随时间变化的宇宙影像。
罗曼会以一定的周期重复观测同一片天空。多次拍摄同一区域，可以发现几天内突然出现或消失的天体，也能捕捉到亮度随周期明暗变化的星光波动。
通过这种时序观测，天文学家期待能发现超过2万颗新的超新星。超新星是掌握宇宙演化过程的关键天体。由于亮度极高，即使在极远距离也能观测，特定种类的超新星被用作测量天文距离的“标准烛光”。暗能量概念的提出，正是源于利用超新星测量遥远星系距离并调查宇宙膨胀史的研究。
特别是利用星系空间分布和超新星进行的这两种观测，在近期的宇宙学中具有了更为有趣的意义。近期测定全宇宙重子声学振荡的研究提出了暗能量可能随时间变化且强度似乎在减弱的可能性。同时，也有观点提出超新星本身的亮度可能随宇宙时代发生细微变化的风险。这种情况也可能与暗能量并非始终恒定的可能性相挂钩。
长期以来，宇宙学最大的谜团之一即暗能量的本质，正处于引发新论战的转折点。此时，罗曼将进行的大规模星系地图和超新星观测具有特别重要的意义。
罗曼将带来的另一场革命：数据
罗曼的重要创新不仅在于观测设备，还在于处理数据的方式。罗曼预计平均每天产生约1.4TB的观测数据。5年内积累的总数据规模将达到约20PB（拍字节，10的15次方）。这比哈勃过去几十年积累的数据总量还要庞大得多。
更重要的一点是，这些数据不会被特定研究团队长期垄断，而是计划在完成预处理后向全世界的天文学家公开。
不过，由于数据规模太大，将所有资料下载到个人电脑上进行分析的方式并不现实。因此，将庞大的数据集中存储，研究人员连接到云端环境执行必要分析的方式变得尤为重要。
由于数据量超出了人类能够一一查阅的水平，人工智能和机器学习的作用也随之增强。目前，能够生成与实际观测相似的高精度图像、自动分类无数星系、寻找突然变亮的特异天体的机器学习工具正在开发中。
过去，全球市民参与的公民科学项目在分类浩瀚的天文数据方面发挥了重要作用。如今，这些积累下来的公民科学成果又成为了优质的学习数据，反过来训练人工智能。可以说，一个由人类学习过的宇宙知识所训练的人工智能，进而反过来高效快速分析更广阔宇宙的时代已经开启。
广阔而精密的崭新宇宙
哈勃和詹姆斯·韦布所展现的宇宙已给人类留下了深刻的印象。但罗曼是一台与它们处于不同维度的望远镜。如果说哈勃和詹姆斯·韦布是深入、精密地挖掘宇宙的特定小区域，那么罗曼则以同样精密的一双慧眼，一次性凝望更为广阔的宇宙。罗曼拍摄的一张照片中，不仅包含几颗明亮的恒星或一个华丽的星系，无数星系与恒星将被同时记录，充盈其间的暗物质分布乃至宇宙膨胀的历史都将共同铭刻其中。
当观察宇宙的崭新窗口打开时，我们所认知的宇宙面貌也可能发生改变。南希·格雷斯·罗曼空间望远镜即将展现的下一个宇宙，将是与哈勃和詹姆斯·韦布所开启的宇宙截然不同的新样貌。
作者池雄培是？热爱猫咪与宇宙。童年时看过《银河铁道999》后，立志要将宇宙之美传达给大众。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，同时从事演讲、写作等多种科学传播活动。著有《关于天文学者的无用性》、《我们都是作为天文学者出生的》、《看到宇宙就会浮现的奇特问题》等书，并翻译了《我是如何杀掉冥王星的》、《量子生活》、《UFO》等作品。